FR3041392A1 - Groupe de refroidissement pour un moteur ou une boite d'engrenages d'aeronef - Google Patents

Groupe de refroidissement pour un moteur ou une boite d'engrenages d'aeronef Download PDF

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Abstract

Groupe de refroidissement (50) pour un moteur ou une boîte d'engrenages (64) d'aéronef, comportant un ventilateur (54) comportant une roue (56) configurée pour générer un flux d'air (78), et un échangeur de chaleur (52) comportant un circuit de fluide et des surfaces d'échange thermique destinées à être balayées par ledit flux d'air en vue du refroidissement dudit fluide, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur a une forme annulaire et ladite roue ou ledit ventilateur est configuré pour générer un flux d'air sensiblement radial destiné à traverser radialement l'échangeur.

Description

Groupe de refroidissement pour un moteur ou une boîte d’engrenages d’aéronef
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un groupe de refroidissement pour un moteur ou une boîte d’engrenages d’aéronef, tel qu’un hélicoptère.
ETAT DE L’ART
Les moteurs d’aéronefs sont équipés de groupes de refroidissement de fluides tels que d’huile par exemple. Un groupe de refroidissement d’huile de la technique actuelle comprend un échangeur air-huile et un ventilateur mécanique qui est destiné à aspirer de l’air à travers l’échangeur. L’échangeur est en général de type « brique >> et a une forme sensiblement parallélépipédique. Le ventilateur comprend une roue qui est disposée à côté de l’échangeur et qui aspire de l’air à travers lui afin que l’air prélève de l’énergie calorifique de l’huile circulant dans l’échangeur.
Il existe deux types de ventilateur, les ventilateurs axiaux tel que ceux décrits dans les demandes FR-A1-2 811 034 et FR-A1-2 956 882, et les ventilateurs centrifuges, tels que celui décrit dans la demande FR-A1-2 807 117. Dans les deux cas, un ventilateur comprend un corps ou carénage autour de sa roue pour notamment guider l’air. Le corps d’un ventilateur centrifuge forme une volute.
Ces technologies présentent des inconvénients décrits ci-dessous : - les échanges convectifs sont hétérogènes au sein de l’échangeur ; les échanges convectifs sont maximums au centre de l’échangeur et plus faibles sur les côtés ; cela est dû au fait que la section d’entrée et de passage d’air dans l’échangeur est un parallélogramme alors que la section d’aspiration de l’air par le ventilateur a une forme circulaire ; la performance globale de l’échangeur n’est donc pas optimale ; - le corps du ventilateur est lourd, cher et difficile à industrialiser ; le corps du ventilateur est souvent la pièce la plus lourde et la plus chère du ventilateur ; ceci est vrai si le ventilateur est axial et cela l’est d’autant plus si le ventilateur est centrifuge car la volute réalisée de fonderie est lourde, chère et difficile à fabriquer ; or, beaucoup des ventilateurs mécaniques pour les moteurs d’aéronefs sont centrifuges à cause des pertes de charges générées par l’échangeur et de l’installation du ventilateur contre le moteur ou la boîte d’engrenages ; - les échangeurs présentent des problèmes de tenue aux vibrations ; les échangeurs actuels de type « brique >> posent des problèmes en vibration lorsqu’ils sont attachés au corps du ventilateur ; en effet, cela engendre une masse déportée importante, qui se traduit par des sollicitations mécaniques très fortes sur le corps du ventilateur ; le ventilateur devient lourd et complexe à réaliser ; par ailleurs, lorsque l’échangeur est fixé en porte-à-faux sur le corps du ventilateur, ce dernier doit être surdimensionné pour résister aux contraintes mécaniques, ce qui augmente sa masse et complexifie davantage sa fabrication ; de même, quand l’échangeur est fixé sur le moteur ou la boîte d’engrenages, il constitue toujours une masse déportée importante (le ventilateur est entre l’échangeur et le moteur ou la boîte) ; les bras de fixation de l’échangeur doivent donc être de dimensions importantes et suffisamment rigides pour tenir l’échangeur qui est éloigné du moteur ou de la boîte ; - les groupes de refroidissement actuels sont difficiles à intégrer ; l’espace disponible dans le compartiment moteur est réduit et surtout limité à de petits volumes tout autour de la boîte d’engrenages ; la forme des échangeurs de type « brique >> actuels n’est pas modulable ; un volume cubique est réservé par les motoristes pour venir accueillir le groupe de refroidissement actuel avec toutes les contraintes d’intégration que cela engendre.
EXPOSE DE L’INVENTION
La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes précités. L’invention propose un groupe de refroidissement pour un moteur ou une boîte d’engrenages d’aéronef, comportant : - un ventilateur comportant une roue configurée pour générer un flux d’air, et - un échangeur de chaleur comportant un circuit de fluide et des surfaces d’échange thermique destinées à être balayées par ledit flux d’air en vue du refroidissement dudit fluide, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur a une forme annulaire et en ce que ladite roue ou ledit ventilateur est configuré pour générer un flux d’air sensiblement radial destiné à traverser radialement l’échangeur.
Ceci est particulièrement avantageux car la roue de ventilateur est protégée par l’échangeur qui peut ainsi remplacer le corps du ventilateur. Ceci permet donc de supprimer le corps de ventilateur de la technique antérieure qui est lourd, cher et complexe à industrialiser. Par ailleurs, l’encombrement du groupe de refroidissement est minimisé puisque ses éléments (ventilateur et échangeur) sont montés l’un dans l’autre au lieu de l’un à côté de l’autre. En l’absence de corps de ventilateur, le groupe de refroidissement selon l’invention peut être nettement plus léger que les groupes de refroidissement actuels. Il n’est ainsi pas nécessaire de prévoir un surdimensionnement de ce corps pour la tenue aux vibrations et cela entraîne une réduction significative du coût de fabrication du groupe. A même rendement (puissance thermique évacuée / puissance mécanique absorbée) et donc à même performance, un groupe de refroidissement selon l’invention aura donc une masse plus faible et un coût inférieur par rapport à la technique antérieure.
Le groupe de refroidissement selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - ledit échangeur s’étend au moins en partie autour de ladite roue, - ladite roue est du type cage d’écureuil, centrifuge, ou axiale, - ladite roue est configurée pour générer un flux d’air radialement vers l’intérieur à travers l’échangeur, - ladite roue est configurée pour générer un flux d’air radialement vers l’extérieur à travers l’échangeur, - ladite roue est montée sur un arbre d’entraînement qui traverse axialement ledit échangeur, - ledit échangeur comprend un corps annulaire comportant des alvéoles sensiblement radiales de passages d’air et des conduites internes annulaires de passage dudit fluide, - ledit corps comprend une face annulaire latérale configurée pour être appliquée contre ledit moteur ou ladite boîte d’engrenages, - ladite face est équipée de moyens de fixation audit moteur ou à ladite boîte d’engrenages.
La présente invention concerne encore un moteur ou boîte d’engrenages pour un aéronef, tel qu’un hélicoptère, comportant un arbre de sortie et un groupe de refroidissement tel que décrit ci-dessus dont la roue est entraînée par ledit arbre de sortie.
Avantageusement, ledit échangeur est fixé directement sur un carter du moteur ou de la boîte d’engrenages. Dans la présente demande, on entend par fixation directe d’un élément sur un autre, le fait qu’il n’y a pas de pièces intermédiaires, tels que des bras de support, entre ces éléments. Les éléments peuvent donc être disposés à côté l’un de l’autre ou appliqués l’un sur l’autre, ce qui limite l’encombrement de l’ensemble et les problèmes de vibrations.
La présente invention concerne encore un aéronef, comportant au moins un groupe de refroidissement, un moteur ou une boîte d’engrenages tel que décrit ci-dessus.
DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement 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 est une vue schématique en perspective d’un moteur d’aéronef équipé d’un groupe de refroidissement selon la technique antérieure, - la figure 2 est une vue schématique en perspective éclatée d’un groupe de refroidissement selon la technique antérieure, - la figure 3 est une vue très schématique en coupe axiale d’un groupe de lubrification selon l’invention, monté sur un moteur ou une boîte d’engrenages, - la figure 4 est une vue schématique en perspective d’un échangeur de chaleur d’un groupe de lubrification selon l’invention, - la figure 5 est une vue schématique en perspective d’une roue de ventilateur d’un groupe de lubrification selon l’invention, - la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 3 et illustre une variante de réalisation de l’invention, - les figures 7 et 9 sont des vues similaires à celle de la figure 3 et illustrent des variantes de réalisation de l’invention, et - les figures 8 et 10 sont des vues similaires à celle de la figure 5 et illustrent des variantes de réalisation de la roue selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
On se réfère d’abord aux figures 1 et 2 qui représentent la technique antérieure à la présente invention.
La figure 1 montre un moteur 10 d’aéronef, ici d’hélicoptère, qui est équipé d’un groupe de refroidissement 12 de l’huile du moteur. Le groupe 12 comporte un échangeur de chaleur air-huile 14 et un ventilateur 16 et est mieux visible en figure 2. L’échangeur de chaleur 14 est de type « brique >> et a une forme parallélépipédique. Il comprend un circuit d’huile raccordé à des ports 18 d’alimentation et d’évacuation d’huile dont un seul est visible en figure 1. Il comprend en outre des ailettes 20 définissant des surfaces d’échange thermique avec un flux d’air traversant l’échangeur (flèches 22). La section frontale ou d’entrée 24 de l’échangeur a une forme de parallélogramme et sa section de sortie (non visible) a également une forme de parallélogramme. Un tuyau de raccordement de forme complexe (parallélogramme côté échangeur et circulaire côté ventilateur) assure la liaison entre l’échangeur et le ventilateur.
Le ventilateur 16 est ici du type centrifuge et comprend une roue 28 qui est entraînée par un arbre pour forcer l’air à être aspiré à travers l’échangeur 14 et à balayer les ailettes 20 (flèches 22). L’air aspiré passe à travers la roue 28 et est expulsé radialement vers l’extérieur. Il est canalisé par le corps 30 du ventilateur qui forme une volute dont la sortie d’air 32 a une orientation sensiblement tangentielle (flèche 34) par rapport à une circonférence centrée sur l’axe de rotation de la roue. L’arbre d’entraînement de la roue 28 est relié à un rotor du moteur par des moyens de prélèvement mécanique, tels qu’un arbre de renvoi.
Comme on le voit à la figure 1, l’échangeur 14 et le ventilateur 16 sont disposés à côté l’un de l’autre. Le corps 30 du ventilateur est fixé sur un carter du moteur et l’échangeur 14 est en général fixé en porte-à-faux sur le ventilateur.
Cette technologie présente des inconvénients auxquels l’invention apporte une solution.
La figure 3 représente un premier mode de réalisation de l’invention dans lequel le groupe de refroidissement 50 comporte un échangeur 52 et un ventilateur 54. Selon l’invention, l’échangeur 52 a une forme annulaire et la roue 56 ou le ventilateur 54 est configuré pour générer un flux d’air en direction radiale, qui est orienté vers l’extérieur dans l’exemple représenté et qui est destiné à traverser l’échangeur.
La figure 4 représente un exemple de réalisation de l’échangeur 52 et la figure 5 représente un exemple de réalisation de la roue 56 de ventilateur. L’échangeur 52 comprend un corps annulaire comportant des alvéoles 58 sensiblement radiales de passage d’air ainsi que des conduites internes annulaires 60 de passage d’huile. Ces conduites 60 forment le circuit d’huile de l’échangeur et sont raccordées à des ports 62 d’alimentation en huile et d’évacuation de l’huile de l’échangeur. L’échangeur 52 est de préférence fixé directement sur un élément de support, qui est un moteur ou une boîte d’engrenages 64 dans le cadre de la présente invention. Ainsi, au contraire de la technique antérieure, l’échangeur 52 est fixé indépendamment du ventilateur 54 et pourrait donc être démonté sans intervenir sur le ventilateur. Inversement, le ventilateur 54 pourrait être démonté sans intervenir sur l’échangeur.
Le corps de l’échangeur 52 comprend ici une face cylindrique interne et une face cylindrique externe, sur lesquelles débouchent les extrémités radiales des alvéoles 58, et des faces annulaires latérales. L’une de ces faces peut être configurée pour être appliquée contre le carter du moteur ou de la boîte d’engrenages 64. Cette face est de préférence équipée de moyens 66 de fixation au carter, tels qu’une bride ou une patte annulaire destinée à être serrée sur le carter par des vis par exemple (figures 3 et 4).
Le ventilateur 54 comprend pour l’essentiel la roue 56 qui peut être montée directement sur l’arbre d’entraînement 68, qui est un arbre de sortie de la boîte d’engrenages ou un arbre relié à un rotor du moteur comme évoqué dans ce qui précède. Le ventilateur 54 n’a ici pas de corps ou carénage car celui-ci est remplacé par l’échangeur 52 qui s’étend autour de la roue.
La roue 56 peut être du type cage d’écureuil, comme représenté à la figure 5. Elle comprend typiquement une rangée annulaire de pales 70 qui ont chacune une orientation sensiblement axiale autour de l’axe A de rotation de la roue. Une extrémité axiale de chaque pale 70 est reliée à un disque 72 comportant en son centre des moyens de liaison à l’arbre 68, et l’extrémité axiale opposée de chaque pale est reliée à un anneau 74.
La roue 56 est ici conformée pour aspirer un flux d’air axial 76 et à produire un flux d’air 78 radialement vers l’extérieur, qui est destiné à traverser l’échangeur 52 en passant à travers ses alvéoles 58. Le flux d’air 76 passe au centre de l’anneau 74 et est dévié par les pales 70 pour être projeté radialement vers l’extérieur et former le flux d’air 78. Ainsi, la roue 56 est une roue centrifuge, l’air étant aspiré axialement par la roue et soufflé radialement vers l’extérieur à travers l’échangeur 52.
La figure 6 représente une variante de réalisation de l’invention qui diffère du précédent mode de réalisation essentiellement en ce que la roue 56’ est ici une roue centripète, l’air étant aspiré radialement par la roue à travers l’échangeur 52 (flèches 76’) et soufflé axialement (flèches 78’).
Le premier ou second mode de réalisation peut être choisi par un motoriste, par exemple en fonction de la localisation de la sortie d’air du groupe. Dans le cas du premier mode de réalisation de la figure 3, l’échangeur 52 peut comprendre une volute non structurante de canalisation du flux d’air 78 et d’acheminement de cet air dans une direction tangentielle à une circonférence à l’axe A. Dans le cas du second mode de réalisation de la figure 6, l’échangeur 52 peut comprendre un moyen tel qu’un tuyau de canalisation et d’acheminement de l’air 78’ le long de l’axe A.
Une roue à cage d’écureuil peut ne pas vaincre de grosses pertes de charge mais a l’avantage d’éjecter l’air à 360° sur une grande surface. De préférence, l’air est soufflé à travers l’échangeur (figure 3).
Les figures 7 à 10 représentent des variantes de réalisation de l’invention et en particulier du ventilateur.
Dans le cas de la figure 7, le ventilateur comprend une roue 56” du type centrifuge. Une roue centrifuge 56” (figure 8) peut vaincre de grosses pertes de charge mais éjecte de l’air à 360° sur une plus petite surface. L’air est de préférence soufflé à travers l’échangeur (flèches 76” et 78”).
Dans le cas de la figure 9, le ventilateur comprend une roue 56’” du type axiale. Une roue axiale 56’” (figure 10) peut vaincre de grosses pertes de charge sur une grande surface mais de préférence en aspiration. Elle est de préférence déportée par rapport à l’échangeur 52 et donc associé à un corps axial 80 qui entoure la roue 56’”. Ce corps 80 n’est pas une volute mais un cylindre simple. Les problématiques en cas de perte de pale de la roue, qui ne doit pas percer l’échangeur, est ici plus facile à traiter que dans les autres types de roue. L’air est de préférence aspiré à travers l’échangeur (flèches 76’” et 78’”).

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Groupe de refroidissement (50) pour un moteur ou une boîte d’engrenages (64) d’aéronef, comportant : - un ventilateur (54) comportant une roue (56, 56’, 56”, 56’”) configurée pour générer un flux d’air (78, 76’, 78”, 76’”), et - un échangeur de chaleur (52) comportant un circuit de fluide et des surfaces d’échange thermique destinées à être balayées par ledit flux d’air en vue du refroidissement dudit fluide, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur a une forme annulaire et en ce que ladite roue ou ledit ventilateur est configuré pour générer un flux d’air sensiblement radial destiné à traverser radialement l’échangeur.
  2. 2. Groupe de refroidissement (50) selon la revendication 1, dans lequel ledit échangeur (52) s’étend au moins en partie autour de ladite roue.
  3. 3. Groupe de refroidissement (50) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite roue (56, 56’, 56”, 56””) est du type cage d’écureuil, centrifuge, ou axiale.
  4. 4. Groupe de refroidissement (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite roue (56’, 56’”) ou ledit ventilateur est configuré pour générer un flux d’air (76’) radialement vers l’intérieur à travers l’échangeur (52).
  5. 5. Groupe de refroidissement (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite roue (56, 56”) ou ledit ventilateur est configuré pour générer un flux d’air (78) radialement vers l’extérieur à travers l’échangeur (52).
  6. 6. Groupe de refroidissement (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite roue (56, 56’, 56”, 56’”) est montée sur un arbre d’entraînement (68) qui traverse axialement ledit échangeur (52).
  7. 7. Groupe de refroidissement (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit échangeur (52) comprend un corps annulaire comportant des alvéoles (58) sensiblement radiales de passages d’air et des conduites internes annulaires (60) de passage dudit fluide.
  8. 8. Groupe de refroidissement (50) selon la revendication précédente, dans lequel ledit corps comprend une face annulaire latérale configurée pour être appliquée contre ledit moteur ou ladite boîte d’engrenages (64).
  9. 9. Groupe de refroidissement (50) selon la revendication précédente, dans lequel ladite face est équipée de moyens (66) de fixation audit moteur ou à ladite boîte d’engrenages (64).
  10. 10. Moteur ou boîte d’engrenages (64) pour un aéronef, tel qu’un hélicoptère, comportant un arbre de sortie (68) et un groupe de refroidissement (50) selon l’une des revendications précédentes dont la roue (56, 56’, 56”, 56’”) est entraînée par ledit arbre de sortie.
  11. 11. Moteur ou boîte d’engrenages selon la revendication précédente, dans lequel ledit échangeur (52) est fixé directement sur un carter du moteur ou de la boîte d’engrenages.
  12. 12. Aéronef, comportant au moins un groupe de refroidissement (50) selon l’une des revendications 1 à 9 ou un moteur ou une boîte d’engrenages (64) selon la revendication 10 ou 11.
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