FR3044636B1 - Turbomachine d'aeronef equipee d'un echangeur de chaleur surfacique air-huile - Google Patents

Abstract

Turbomachine (110) d'aéronef, comportant un échangeur de chaleur surfacique (50) comportant un circuit d'huile et au moins une surface d'échange thermique avec l'huile et destinée à être balayée par un flux d'air, un conduit (52) de circulation dudit flux d'air dans lequel est monté ledit échangeur et comportant une entrée d'air (54) et une sortie d'air (56), des moyens (44) de décharge d'air d'une veine de compresseur, caractérisée en ce que lesdits moyens de décharge comprennent une sortie d'air raccordée audit conduit afin que de l'air de décharge puisse être délivré audit échangeur.

Description

Turbomachine d’aéronef équipée d’un échangeur de chaleur surfacique air-huile

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne une turbomachine d’aéronef, du type comportant un échangeur de chaleur surfacique air-huile.

ETAT DE L’ART L’état de l’art comprend notamment le document FR 2 788 308.

Une turbomachine d’aéronef comprend classiquement un moteur ou générateur de gaz comportant d’amont en aval, dans le sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine, au moins un compresseur, une chambre de combustion, et au moins une turbine. Le moteur est alimenté en air par une manche d’entrée d’air et une tuyère permet d’évacuer les gaz de combustion sortant de la turbine du moteur.

Dans le cas d’une turbomachine à double corps, son moteur comprend un compresseur et une turbine basse pression ou BP dont les rotors sont reliés ensemble par un arbre BP et forment avec cet arbre un corps BP, et un compresseur et une turbine haute pression ou HP dont les rotors sont reliés ensemble par un arbre HP et forment avec cet arbre un corps HP. Le moteur comprend ainsi une veine d’écoulement d’air (dite primaire) destinée à alimenter la chambre de combustion, et une veine d’écoulement de gaz de combustion sortant de la chambre.

Dans le cas d’une turbomachine à soufflante, une soufflante est montée dans la manche d’entrée d’air (et est donc carénée) et est entraînée par l’arbre BP, soit de manière directe soit de manière indirecte via une boîte d’engrenages formant réducteur.

Dans le cas d’un turbopropulseur, une hélice externe non carénée est entraînée par l’arbre BP ou une turbine libre, par l’intermédiaire d’une boîte d’engrenages formant réducteur. En général, l’entrée de l’air dans un moteur de turbopropulseur se fait par l’avant et la sortie des gaz de combustion se fait par l’arrière. On connaît toutefois un turbopropulseur du type inversé, dans lequel l’entrée de l’air se fait par l’arrière et la sortie des gaz de combustion se fait par l’avant.

Il est connu d’équiper une turbomachine d’un échangeur de chaleur surfacique air-huile, aussi appelé ACOC (acronyme de l’anglais Air Cooled OU Cooler). Cet échangeur est en général monté dans un conduit de circulation d’un flux d’air comportant une entrée d’air et une sortie d’air. L’échangeur comprend au moins une surface d’échange thermique avec l’huile et destinée à être balayée par le flux d’air.

Dans certains cas d’utilisation, le flux d’air ne circule pas de façon naturelle ou suffisante dans le conduit. Une assistance impliquant un prélèvement additionnel sur la turbomachine peut donc s’avérer nécessaire. Dans le cas d’un turbopropulseur, un prélèvement dans la veine de compresseur est envisageable à faible vitesse pour forcer l’écoulement d’un flux d’air suffisant sur l’échangeur, par exemple par l’intermédiaire d’un ventilateur ou d’une trompe à jet. Dans le cas d’un turboréacteur à double flux, un prélèvement via une écope dans la veine d’écoulement du flux secondaire est envisageable pour dériver une partie du flux secondaire vers l’échangeur.

Des moyens de décharge d’air, aussi appelés moyens d’opérabilité, qui sont en général des vannes (VBV qui est l’acronyme de Variable Bleed Valve ou HBV qui est l’acronyme de Handling Bleed Valve) ont pour fonction d’évacuer de l’air vers l’extérieur d’une veine (primaire ou d’éjection des gaz de combustion), ce qui constitue une perte d’énergie pneumatique.

Ces moyens de décharge sont nécessaires pour assurer le bon fonctionnement du moteur en particulier au ralenti voire à des régimes partiels (entre le ralenti et le plein gaz pour chaque phase de vol). Cette perte d’énergie pneumatique est souvent coûteuse dans tous les cas de figure : - dans le cas d’une vanne HBV d’un premier moteur existant : la décharge est faite dans le compresseur HP. L’air a été fortement comprimé ce qui représente une forte puissance perdue malgré un débit de décharge moyen ; - dans le cas d’une vanne HBV d’un second moteur existant ou d’une vanne VBV d’un troisième moteur existant : la décharge est faite juste derrière un compresseur BP ou intermédiaire, dans lequel l’air est moins comprimé que dans le cas précédent. Par contre, le débit déchargé est plus important que sur une vanne HBV prise dans un compresseur HP. La puissance de compression de cet air déchargé reste donc élevée.

Sur le second moteur précité, la puissance consommée par la compression de l’air passant par une vanne HBV peut atteindre 2,5% de la puissance maximale du moteur sur certains cas de vol en régime d’urgence (par exemple en cas d’arrêt d’un des deux moteurs). De manière générale, la consommation de puissance par les moyens de décharge peut aller jusqu’à 30% du débit passant par la turbomachine.

De manière générale, une turbomachine est optimisée pour un point de fonctionnement en plein gaz. Ceci implique donc qu’en régime partiel ou ralenti le fonctionnement de la turbomachine n’est pas optimisé. Notamment, il est nécessaire de rétablir les marges de fonctionnement de la turbomachine en utilisant le système de décharge d’air au niveau d’un des compresseurs tel que précédemment décrit. Ce prélèvement d’air a pour conséquence d’entraîner une augmentation des températures des gaz en sortie de turbomachine au ralenti. Les températures de sortie de gaz au ralenti sont potentiellement supérieures aux températures de sortie au plein gaz. Ceci pose deux problèmes : - il est nécessaire d’avoir une turbine libre, un carter de sortie, une tuyère d’éjection des gaz réalisés dans des matériaux capables de supporter ces températures ; ces matériaux présentent les désavantages d’être coûteux, et lourds ; pour palier ce problème, dans un souci continuel de gain de masse et de coût de construction, un équipement de refroidissement a été mis en place afin de limiter la température de ces gaz ; cet équipement est pénalisant en terme de masse, même si son rapport de masse par rapport aux matériaux termo-résistants est positif ; de plus, cet équipement est pénalisant en terme d’encombrement ; - d’autre part, au cours de son utilisation, la turbomachine passe plus de temps au ralenti qu’au plein gaz ; ceci a pour conséquence de dégrader le moteur par une usure des pièces importante (entraînant des coûts de maintenance importants).

La présente invention propose un perfectionnement aux technologies existantes.

EXPOSE DE L’INVENTION L’invention propose une turbomachine d’aéronef, comportant : - un échangeur de chaleur surfacique comportant un circuit d’huile et au moins une surface d’échange thermique avec l’huile et destinée à être balayée par un flux d’air, - un conduit de circulation dudit flux d’air dans lequel est monté ledit échangeur et comportant une entrée d’air et une sortie d’air, - des moyens de décharge d’air d’une veine de compresseur, caractérisée en ce que, lesdits moyens de décharge comprenant une sortie d’air de décharge raccordée audit conduit, l’air de décharge est délivré audit échangeur.

La présente invention propose ainsi une mutualisation des fonctions d’opérabilité et de management thermique de l’échangeur surfacique air-huile. Elle propose une utilisation d’une décharge comme source d’énergie pneumatique pour assister le refroidissement de l’échangeur. L’invention permet d’introduire la notion de récupération d’énergie pneumatique, ce qui n’a jamais été vue sur un moteur aéronautique de série. Cela permet d’amener un apport énergétique supplémentaire et non utilisé auparavant (qui serait de toute façon perdu), ce qui améliore le bilan énergétique du moteur. En particulier, on mutualise les fonctions de décharge et de refroidissement de l’échangeur, réalisées avec de l’énergie pneumatique. On réduit ainsi le coût global par ré-optimisation de l’ensemble des systèmes et en particulier de l’échangeur.

La turbomachine 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 : - ladite sortie d’air débouche en amont dudit échangeur par référence à l’écoulement de l’air dans ledit conduit, - lesdites entrée et sortie du conduit débouchent sur une surface externe d’une nacelle de la turbomachine, - lesdites entrée et sortie du conduit débouchent sur une surface externe d’un carter délimitant la périphérie interne d’une veine annulaire de la turbomachine, - l’entrée dudit conduit est équipée d’une écope et/ou d’une porte basculante, - lesdits moyens de décharge comportent une conduite qui s’étend entre une veine de compresseur et ledit conduit, - la turbomachine étant un turbopropulseur, - la turbomachine étant un turboréacteur à double flux, - ledit échangeur de chaleur surfacique est le seul échangeur de chaleur surfacique air-huile de la turbomachine.

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’une turbomachine qui est ici un turbopropulseur de type inversé, - la figure 2 est une vue très schématique en coupe axiale d’un turbopropulseur du type de celui de la figure 1, - la figure 3 est une vue très schématique en coupe axiale d’un turbopropulseur du type de celui de la figure 1, et illustre la technique antérieure à la présente invention, - la figure 4 est une vue très schématique en coupe axiale d’un turbopropulseur du type de celui de la figure 1, et illustre l’invention, - la figure 5 est une vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine du type turbosoufflante, et illustre la technique antérieure à la présente invention, et - la figure 6 est une vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine, et illustre l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

On se réfère tout d’abord à la figure 1 qui représente une turbomachine d’aéronef et plus particulièrement un premier turbopropulseur 10 qui est ici du type inversé, bien que l’invention ne soit pas limitée à cette application particulière.

Le premier turbopropulseur 10 peut comporter un moteur 12 d’axe longitudinal A et comportant un compresseur 14, 16, une chambre annulaire de combustion 18, et au moins une turbine 20. L’axe A correspond à l’axe de rotation des rotors du moteur 12 et en particulier du compresseur 14, 16 et de la turbine 20. Le compresseur 14, 16 peut comporter un compresseur haute pression 16 et un compresseur basse pression 14. L’au moins une turbine 20 peut être une turbine basse ou haute pression.

Les rotors du compresseur haute pression 16 et de la turbine haute pression 20 sont reliés l’un à l’autre par un arbre haute pression ou HP centré sur l’axe A, et forment un corps haute pression ou HP.

Comme indiqué dans ce qui précède, l’exemple illustré est non limitatif et le turbopropulseur peut être indifféremment du type monocorps et à turbine liée, du type double corps et à turbine liée, du type double ou triple corps et à turbine libre, etc. La nature de l’architecture interne de la turbomachine importe peu vis-à-vis du système considéré dans l’invention.

Le premier turbopropulseur 10 comporte par ailleurs, à l’avant du moteur 12, une boîte d’engrenages 24 dont un arbre d’entrée est entraîné par une turbine libre 25 et dont un arbre de sortie entraîne une hélice externe 26 du turbopropulseur. La boîte d’engrenages 24 est connue sous le nom de PGB, qui est l’acronyme de Power Gear Box.

Le compresseur basse pression 14 est alimenté en air par un carter 28 d’entrée d’air qui est lui-même relié à une manche 30 d’entrée d’air. La turbine 20 est reliée à un carter 32 d’échappement des gaz de combustion, qui est lui-même relié à une tuyère d’échappement 34.

Le premier turbopropulseur 10 tel que représenté sur la figure 1 est de type inversé : le compresseur basse pression 14 est situé à l’arrière du moteur et la turbine libre 25 est située à l’avant du moteur, c'est-à-dire du côté de la boîte d’engrenage 24 et de l’hélice 26. Ceci est avantageux notamment par le fait que la turbine libre 25, représentée sur la figure 2, est reliée directement à la boîte d’engrenages 24, sans nécessiter un arbre BP traversant le corps HP.

La tuyère 34 peut être disposée sur un ou plusieurs côtés du moteur (par exemple à 3h ou 9h, par analogie avec le cadran d’une horloge). Elle comprend un orifice d’entrée de gaz débouchant dans le carter 32 et un orifice 36 de sortie de gaz débouchant sur un côté du turbopropulseur, au voisinage de son extrémité avant. La tuyère 34 peut avoir en section une forme parallélépipédique allongée dans une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe A, ici sensiblement verticale. La tuyère définit une conduite de passage d’un flux de gaz, appelé second flux de gaz ou flux chaud.

La manche d’entrée d’air 30 est par exemple préférentiellement disposée sous le moteur (à 6h). Elle a une forme allongée, son axe d’allongement étant sensiblement parallèle à l’axe A. Elle s’étend sur sensiblement toute la dimension longitudinale du moteur et comprend un orifice d’entrée d’air situé à l’avant du turbopropulseur et un orifice de sortie d’air débouchant dans le carter 28 d’entrée d’air. La manche d’entrée d’air 30 a par exemple en section une forme parallélépipédique allongée dans une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe A, ici sensiblement horizontale. La manche d’entrée d’air définit une conduite de passage d’un flux de gaz, appelé premier flux de gaz ou flux froid.

Le flux primaire alimentant le moteur comprend le flux froid qui pénètre et s’écoule dans la manche d’entrée d’air 30, et le flux chaud qui s’écoule dans la tuyère 34 et en sort.

Le premier turbopropulseur 10 comprend des moyens de décharge d’air du flux primaire, qui sont par exemple des vannes de décharge 40, tel que représenté sur la figure 2. Chaque vanne comprend une porte pivotante, qui est mobile entre une première position dans laquelle elle obture un orifice de décharge 41 et une deuxième position dans laquelle elle laisse libre cet orifice. Lorsque la porte de la vanne 40 est dans la deuxième position, de l’air est évacué vers l’extérieur du moteur à travers l’orifice de décharge 41. Ces moyens de décharge sont utilisés pour décharger uniquement de l’air et non des gaz de combustion. Ils sont donc montés en amont de la chambre de combustion 18 et le plus souvent à proximité d’un compresseur, tel que le compresseur BP 14 ou HP 16. L’air déchargé est évacué au moyen d’un conduit 44.

La figure 3 illustre le premier turbopropulseur 10 de la technique antérieure, également du type inversé, qui est équipé d’un échangeur 50 de chaleur air/huile du type surfacique ou ACOC. Cet échangeur 50 est monté dans un conduit 52 qui s’étend sensiblement longitudinalement vis-à-vis de l’axe du moteur. Le conduit 52 comprend à l’amont une entrée 54 d’alimentation en air du conduit 52, et à l’aval une sortie 56 d’évacuation de l’air du conduit. Dans l’exemple représenté, les entrée 54 et sortie 56 sont situées sur la surface externe d’une nacelle 58 du premier turbopropulseur 10.

Dans la technique antérieure illustrée par la figure 3, une trompe à jet 60 est montée dans le conduit 52, en aval de l’échangeur 50, et projette un flux d’air destiné à forcer l’écoulement de l’air dans le conduit 52 depuis son entrée jusqu’à sa sortie et donc à travers l’échangeur 50. La trompe à jet 60 est en général alimentée par des moyens de prélèvement d’air sur le moteur spécifiques ou dédiés.

Un désavantage de cette solution technique est que le prélèvement pour alimenter la trompe à jet 60 est réalisé en plus de la décharge, ce qui est pénalisant. Ceci entraîne notamment des pertes énergétiques.

La figure 4 illustre un deuxième turbopropulseur 110 selon l’invention, également du type inversé, qui est équipé d’un échangeur 50 de chaleur air/huile du type surfacique ou ACOC. Cet échangeur 50 est monté dans un conduit 52 qui s’étend sensiblement longitudinalement vis-à-vis de l’axe du moteur. Le conduit 52 comprend à l’amont une entrée 54 d’alimentation en air du conduit 52, et à l’aval une sortie 56 d’évacuation de l’air du conduit. Dans l’exemple représenté, les entrée 54 et sortie 56 sont situées sur la surface externe de la nacelle 58 du deuxième turbopropulseur 110. L’échangeur 50 est alimenté par le flux d’air pris à l’ambiant en usage normal, par exemple au moyen d’une écope prévue à l’entrée du conduit 52. La conduite 44 des moyens de décharge a son extrémité opposée à l’orifice de décharge, qui est reliée au conduit 52 et débouche en amont de l’échangeur 50.

Au niveau de ce débouché, un volet mobile 62 peut être monté. En utilisation normale, le volet 62 est fermé et l’orifice de décharge également. Au ralenti, le volet peut être ouvert de sorte que de l’air de décharge balaye l’échangeur 50. La décharge est par exemple réalisée au niveau des derniers étages de compresseur. L’ouverture du volet 62 permet de privilégier l’air de décharge pour l’alimentation en air de l’échangeur.

Avec un flux froid conséquent alimentant le conduit 52 par son entrée, même au ralenti, l’échange thermique reste efficace et donc la taille de l’échangeur 50 en est réduite. La trompe à jet et le prélèvement associé peuvent être supprimés. L’exemple représenté est un turbopropulseur à corps inversé mais l’invention peut de la même manière s’appliquer avec les mêmes avantages à un turbopropulseur conventionnel.

La figure 5 illustre une turbomachine 210 de la technique antérieure, qui est équipée d’un échangeur 50 de chaleur air/huile du type surfacique ou ACOC. Cet échangeur 50 est monté dans un conduit 52 qui s’étend sensiblement longitudinalement vis-à-vis de l’axe du moteur. Le conduit 52 comprend à l’amont une entrée 54 d’alimentation en air du conduit 52, et à l’aval une sortie 56 d’évacuation de l’air du conduit. Dans l’exemple représenté, l’entrée 54 est située sur un carter délimitant la périphérie externe de la veine d’écoulement du flux secondaire, et la sortie 56 est située sur une surface externe de la nacelle 58 de la turbomachine 210.

Dans la technique antérieure illustrée par la figure 5, une trompe à jet 60 est montée dans le conduit 52, en aval de l’échangeur 50, et projette un flux d’air destiné à forcer l’écoulement de l’air dans le conduit 52 depuis son entrée jusqu’à sa sortie et donc à travers l’échangeur 50. La trompe à jet 60 est en général alimentée par des moyens de prélèvement d’air sur le moteur spécifiques ou dédiés.

La figure 6 illustre un turbopropulseur 310 selon l’invention, qui est équipée d’un échangeur 50 de chaleur air/huile du type surfacique ou ACOC. Cet échangeur 50 est monté dans un conduit 52 qui s’étend sensiblement longitudinalement vis-à-vis de l’axe du moteur. Le conduit 52 comprend à l’amont une entrée 54 d’alimentation en air du conduit 52, et à l’aval une sortie 56 d’évacuation de l’air du conduit. Dans l’exemple représenté, les entrée 54 et sortie 56 sont situées sur un carter délimitant la périphérie interne de la veine d’écoulement du flux secondaire. L’échangeur 50 est alimenté par un flux d’air prélevé dans le flux secondaire en usage normal, par exemple au moyen d’une écope prévue à l’entrée du conduit 52. La conduite 44 des moyens de décharge a son extrémité opposée à l’orifice de décharge, qui est reliée au conduit 52 et débouche en amont de l’échangeur 50.

Un volet mobile 62 peut être monté au niveau de l’entrée du conduit 52. En utilisation normale, le volet 62 est ouvert et l’orifice de décharge fermé. Au ralenti, l’orifice de décharge peut être ouvert pour souffler de l’air de décharge à travers l’échangeur 50. Le volet 62 est fermé pour privilégier l’utilisation de l’air de décharge à celui du flux secondaire.

Avec un flux froid conséquent, même au ralenti, l’échange thermique reste efficace et donc la taille de l’échangeur en est réduite. De plus, le dispositif peut être placé sur toute la périphérie du carter, réduisant encore la longueur et la hauteur de l’échangeur. La trompe à jet et le prélèvement dans le compresseur associé peuvent donc être supprimés.

Au final, l’échangeur 50 peut être plus petit car dimensionné sur des cas de régime partiel où les orifices de décharge sont fermés, c'est-à-dire pour des régimes intermédiaires entre le régime partiel et les autres régimes. En effet, l’échangeur 50 ne sera plus dimensionné pour le ralenti comme c’était le cas dans l’état de la technique : au ralenti, le débit des orifices de décharge sera justement très important et suffisamment pour alimenter l’échangeur. Le débit écopé sera moindre que dans l’existant donc la pénalité sur le cycle abaissée : le débit en sortie de l’échangeur est réinjecté directement dans la veine secondaire ce qui engendre moins de perte que pour le système de l’état de la technique. De plus, il n’y aura plus de prélèvement pour la trompe à jet au ralenti, ce qui évite la surchauffe et le surplus de consommation associé dans cette phase d’utilisation du moteur.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Turbomachine (110,310) d’aéronef, comportant : - un échangeur de chaleur surfacique (50) comportant un circuit d’huile et au moins une surface d’échange thermique avec l’huile et destinée à être balayée par un flux d’air, - un conduit (52) de circulation dudit flux d’air dans lequel est monté ledit échangeur et comportant une entrée d’air (54) et une sortie d’air (56), - des moyens (40, 41,44) de décharge d’air d’une veine de compresseur, caractérisée en ce que, lesdits moyens de décharge comprenant une sortie d’air de décharge raccordée audit conduit, l’air de décharge étant délivré audit échangeur, et en ce que l’entrée (54) dudit conduit (52) est équipée d’une porte (62) basculante.
2. 2. Turbomachine (110, 310) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite sortie d’air (44) débouche en amont dudit échangeur (50) par référence à l’écoulement de l’air dans ledit conduit (52).
3. 3. Turbomachine (110, 310) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle lesdites entrée et sortie (54, 56) du conduit (52) débouchent sur une surface externe d’une nacelle (58) de la turbomachine.
4. 4. Turbomachine (110, 310) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle lesdites entrée et sortie (54, 56) du conduit (52) débouchent sur une surface externe d’un carter délimitant la périphérie interne d’une veine annulaire de la turbomachine.
5. 5. Turbomachine (10, 10’) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens de décharge comportent une conduite <44) qui s’étend entre une veine de compresseur et ledit conduit (52).
6. 6. Turbomachine (110) selon l’une des revendications précédentes, la turbomachine étant un turbopropulseur.
7. 7. Turbomachine (310) selon l’une des revendications 1 à 5, la turbomachine étant un turboréacteur à double flux.
8. 8. Turbomachine (110, 310) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ledit échangeur de chaleur surfacique (50) est le seul échangeur de chaleur surfacique air-huile de la turbomachine.