FR3071551B1 - Echangeur de chaleur de type air/fluide - Google Patents

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Abstract

Cette tuyère de sortie (7) pour échangeur de chaleur du type air/fluide, comprend une ouverture amont (21) et une ouverture aval (23), et au moins un déflecteur (29) disposé à l'intérieur de cette tuyère (7), ce déflecteur (29) définissant des premier et deuxième compartiments à l'intérieur de ladite tuyère (7), - ledit premier compartiment débouchant dans une première zone de ladite ouverture amont (21) et dans une première zone (35a) de ladite ouverture aval (23), et - ledit deuxième compartiment débouchant dans une deuxième zone de ladite ouverture amont (21) et dans une deuxième zone (35b) de ladite ouverture aval (23), et - ladite première zone de l'ouverture amont (21) étant destinée, en fonctionnement, à être positionnée plus proche de l'arrivée de fluide chaud que ladite deuxième zone de l'ouverture amont (21), et ladite première zone (35a) de l'ouverture aval (23) étant destinée, en fonctionnement, à être positionnée en amont d'au moins une partie (P) de ladite deuxième zone (35b) de l'ouverture aval (23), par rapport au sens de circulation (F) de l'air extérieur.

Description

Echangeur de chaleur de type air/fluide
La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur de type air/fluide.
Cette invention trouve une application particulière dans le refroidissement d'air très chaud provenant de la veine primaire d'un moteur de type turboréacteur à double flux d'un ensemble propulsif pour aéronef, en vue d'utiliser cet air refroidi pour différentes fonctions telles que la régulation en température de la cabine de l'aéronef, des réservoirs de carburant, des systèmes de dégivrage, etc.
Dans une telle application particulière, l'échangeur air/fluide est un échangeur air/air souvent désigné par l'acronyme anglo-saxon PCE, que l'on utilisera dans ce qui suit, signifiant « precooler », c'est-à-dire pré-refroidisseur. L'état de la technique offre un certain nombre de modes de réalisation de PCE, qui fonctionnent selon le principe d'un échange entre un flux d'air frais ponctionné dans la veine secondaire d'une turbomachine à double flux pour aéronef et rejeté à l'extérieur, et un flux d'air chaud ponctionné dans la veine primaire de la turbomachine et dirigé dans des conduites à destination des parties de l'aéronef dont on souhaite réguler la température.
La demanderesse a décrit des exemples de PCE dans ses demandes de brevets FR3015569A1 et FR3015573A1. L'agencement d'un tel PCE de la technique antérieure est représenté sur les figures 1 à 3 ci annexées, où l'on peut voir respectivement en vues de côté, en perspective et de détail, un ensemble propulsif d'avion équipé d'un tel PCE.
Sur ces figures, la flèche F indique le sens de circulation de l'air extérieur par rapport à l'ensemble propulsif de l'avion en fonctionnement, et le repère XYZ indique respectivement les directions longitudinale, transversale et verticale de cet ensemble propulsif en fonctionnement.
Plus particulièrement, on peut voir sur ces figures que le PCE 1 comprend un bloc d'échange de chaleur 3 dans lequel peuvent se croiser un flux d'air frais FF et un flux d'air chaud FC.
Le flux d'air frais FF est prélevé dans la veine secondaire du moteur par une écope 5, et rejeté vers l'extérieur par une tuyère 7.
Le flux d'air chaud FC est prélevé dans la veine primaire par une conduite d'entrée 9 raccordée à une entrée de fluide chaud du bloc d'échange de chaleur 3, et est refroidi dans le bloc 3 par échange thermique avec le flux d'air frais FF, pour ressortir du bloc d'échange de chaleur 3 dans une conduite de sortie 11 à destination de parties de l'avion dont on souhaite réguler la température.
Le PCE 1 et ses conduites associées sont fixés sur le carter du moteur 13, en aval du carter de soufflante 17, à l'intérieur de la nacelle 15 d'axe A enveloppant le moteur.
La conduite de sortie 11 traverse ensuite le pylône 19 de suspension du moteur, et rejoint les parties de l'avion à réguler en température.
Un problème fréquemment rencontré avec cet agencement de la technique antérieure est que l'air sortant de la tuyère 7 présente localement des températures très élevées, de sorte qu'en léchant la partie de la nacelle 15 située immédiatement en aval de cette tuyère, cet air chaud peut brûler cette partie de nacelle.
La répartition circonférentielle (i.e. le long d'un cercle transversal à l'axe A de la nacelle) des températures mesurées à la sortie de la tuyère 7 est représentée à la figure 4 : des températures très élevées TH sont constatées dans la partie de cette tuyère qui est située du côté amont du flux d'air chaud FC, et moins élevées TB du côté de cette tuyère qui est situé du côté aval du flux d'air froid FF ; un écart de l'ordre de 100°C entre TH et TB est fréquemment observé.
Une telle brûlure peut décolorer le revêtement de la nacelle, voire même endommager localement celle-ci, notamment lorsqu'elle est formée en matériaux composites.
La présente invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient.
On atteint ce but de l'invention avec une tuyère de sortie pour l'évacuation d'air ayant traversé un échangeur de chaleur du type air/fluide dans un ensemble propulsif d'aéronef, comprenant une ouverture amont et une ouverture aval, l'ouverture amont étant destinée à être raccordée à un bloc d'échange de chaleur dans lequel peuvent se croiser un flux d'air frais et un fluide chaud destiné à être refroidi par l'air frais, l'ouverture aval étant destinée à être balayée par de l'air extérieur s'écoulant à l'extérieur de l'échangeur de chaleur en fonctionnement de l'aéronef, selon un sens de circulation généralement constant, ladite tuyère comprenant en outre au moins un déflecteur définissant des premier et deuxième compartiments à l'intérieur de cette tuyère, ledit premier compartiment débouchant dans une première zone de ladite ouverture amont et dans une première zone de ladite ouverture aval, et ledit deuxième compartiment débouchant dans une deuxième zone de ladite ouverture amont et dans une deuxième zone de ladite ouverture aval, et ladite première zone de l'ouverture amont étant destinée, en fonctionnement, à être positionnée plus proche d'une entrée de fluide chaud du bloc d'échange de chaleur que ladite deuxième zone de l'ouverture amont, et ladite première zone de l'ouverture aval étant positionnée en amont d'au moins une partie de ladite deuxième zone de l'ouverture aval, par rapport au sens de circulation de l'air extérieur en fonctionnement de l'aéronef.
Grâce à ces caractéristiques, on obtient une tuyère de sortie pour échangeur de chaleur de type air/fluide permettant de diriger la partie la plus chaude du fluide à refroidir qui entre à l'intérieur de l'échangeur, vers une partie de l'ouverture aval de la tuyère qui est séparée du bord aval de cette sortie (par rapport au sens de circulation de l'air extérieur) par une couche d'air relativement moins chaud.
On peut de la sorte éviter une brûlure de la partie de l'ensemble propulsif située immédiatement en aval de la tuyère de sortie de l'échangeur.
En d'autres termes, la tuyère selon l'invention permet de modifier la stratification des températures constatée dans les tuyères de l'art antérieur, dans lesquelles des températures très élevées sont observées dans toute la zone de la tuyère située la plus proche de l'arrivée de fluide chaud, et en particulier en sortie de tuyère.
La tuyère selon l'invention permet de modifier cette stratification « circonférentielle » de températures (par rapport au cercle défini par la nacelle de l'ensemble propulsif au droit de l'ouverture aval de la tuyère) en une stratification « radiale », dans laquelle la couche d'air le plus chaud se retrouve « au-dessus » (c'est-à-dire dans une position radialement plus éloignée de l'axe de la nacelle) que la couche d'air le moins chaud.
Ainsi, sous l'effet de la circulation de l'air extérieur, la couche d'air le moins chaud vient lécher la zone de la nacelle située immédiatement en aval de l'ouverture aval de la tuyère, et protège cette zone vis-à-vis de la couche d'air le plus chaud.
Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de la tuyère selon l'invention : le rapport de surfaces entre la section du premier compartiment contenue dans le plan de l'ouverture amont et la totalité de la section de cette ouverture amont peut être compris entre 5 % et 50 % ; le rapport de surfaces entre la section du premier compartiment contenue dans le plan de l'ouverture aval et la totalité de la section de cette ouverture aval peut être compris entre 5 % et 50 % ; cette tuyère comporte une pluralité de déflecteurs définissant une pluralité de compartiments débouchant chacun dans des zones respectives de l'ouverture amont et de l'ouverture aval.
La présente invention se rapporte également à un échangeur de type air/fluide, remarquable en ce qu'il est équipé d'une tuyère de sortie conforme à ce qui précède.
Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de l'échangeur selon l'invention : cet échangeur est un échangeur air/air ; cet échangeur est un pré-refroidisseur pour ensemble propulsif d'aéronef.
La présente invention se rapporte également à un ensemble propulsif d'aéronef, remarquable en ce qu'il est équipé d'un échangeur de chaleur conforme à ce qui précède.
Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de cet ensemble propulsif lorsqu'il comprend une nacelle, l'ouverture aval de l'échangeur de chaleur débouche de manière affleurante sur la paroi extérieure de la nacelle. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre, et à l'examen des figures ci-annexées, dans lesquelles : les figures 1 à 4, décrites en préambule de la présente description, représentent un dispositif de la technique antérieure, les figures 5 et 6 représentent en perspective, sous deux angles différents, une tuyère de sortie pour échangeur de chaleur selon l'invention, la figure 7 représente une vue en perspective d'un déflecteur de cette tuyère, la figure 8 représente une vue schématique de la répartition des flux d'air chaud et moins chaud de part et d'autre du déflecteur de la figure 7, en fonctionnement, et les figures 9 et 10 sont des modélisations de répartition des températures à la sortie de l'ouverture aval de la tuyère d'un échangeur de chaleur air/air pour ensemble propulsif d'aéronef, en fonctionnement, avec une tuyère de l'art antérieur (figure 9), et avec une tuyère selon l'invention (figure 10).
Sur ces figures, des références identiques ou analogues désignent des organes ou ensembles d'organes identiques ou analogues.
On a représenté sur les figures 5 et 6 une tuyère de sortie 7 selon l'invention.
Comme cela est visible sur ces figures, cette tuyère de sortie 7 présente une ouverture amont 21 destinée à être connectée à un bloc d'échange de chaleur analogue au bloc 3 représenté sur les figures 1 à 3, et une ouverture aval 23 destinée à déboucher de manière affleurante sur la paroi externe d'une nacelle d'ensemble propulsif pour avion, de manière analogue à ce qui est représenté sur les figures 1 et 2 (référence 7).
Les termes "amont" et "aval" concernant respectivement les ouvertures 21 et 23 de la tuyère selon l'invention s'entendent par rapport à la circulation de l'air sortant du bloc d'échange de chaleur 3, en fonctionnement : il s'agit du flux analogue à celui désigné par la flèche FF sur la figure 3. L'ouverture aval 23 de la tuyère 7 comprend une grille 25, permettant d'éviter la pénétration d'objets indésirables à l'intérieur de la tuyère.
Dans la configuration représentée aux figures 5 et 6, la tuyère 7 présente un coude 27 d'environ 90°, mais cela n'est bien entendu pas limitatif, tout autre coude, voire même une absence de coude, étant également couverts par la présente invention. A l'intérieur de la tuyère 7 se trouve un déflecteur 29, résistant à des températures pouvant atteindre quelques centaines de degrés Celsius, formé de préférence dans un alliage métallique.
Ce déflecteur, qui s'étend de l'ouverture amont 21 à l'ouverture aval 23 de la tuyère 7, sépare le volume intérieur de cette tuyère en deux compartiments 31a, 31b.
Le premier compartiment 31a débouche dans une première zone 33a de l'ouverture amont 21 de la tuyère 7 qui est destinée à être la plus proche de l'arrivée du flux d'air chaud FC, donc la plus proche de l'arrivée de la conduite 9 à l'intérieur du bloc d'échange 3 (voir figure 3), par rapport à une deuxième zone 33b de l'ouverture amont 21 dans laquelle débouche le deuxième compartiment 31b.
Par ailleurs, le premier compartiment 31a débouche dans une première zone 35a de l'ouverture aval 23 de la tuyère 7 qui est située en amont d'une partie P d'une deuxième zone 35b de l'ouverture aval 23 dans laquelle débouche le deuxième compartiment 31b : "en amont" s'entend ici par rapport au sens de circulation de l'air extérieur le long de la nacelle de l'ensemble propulsif, se sens étant indiqué par la flèche F sur la figure 6 et étant généralement constant dans la plupart des phases de vol.
Ce sens de circulation s'étend en effet généralement selon une direction sensiblement axiale de l'ensemble propulsif, et sensiblement parallèle au plan dans lequel est contenue l'ouverture aval 23, puisque cette dernière est elle-même affleurante avec la surface de la paroi extérieure de la nacelle. Ce n'est que lors de phases de vol très spécifiques et relativement courtes que le sens de circulation F de l'air extérieur le long de la nacelle pourra varier substantiellement notamment au voisinage de l'ouverture aval 23, en particulier lors d'un atterrissage avec inversion de poussée où l'air extérieur balayant cette ouverture aval aura une direction relativement diffuse.
Ainsi, le déflecteur 29 présente une forme particulière, permettant de réaliser la transition de la section du premier compartiment 31a contenue dans le plan de l'ouverture amont 21, vers la section de ce premier compartiment 31a contenue dans le plan de l'ouverture de la section aval 23 : ce déflecteur 29 présente une forme vrillée comme représenté à la figure 7, dans laquelle l'angle formé entre les parois amont 37 et aval 39 de ce déflecteur peut être typiquement de l'ordre de 90°.
Le rapport de surfaces entre la section du premier compartiment 31a contenue dans le plan de l'ouverture amont 21 et la totalité de la section de cette ouverture amont 21 peut être compris entre 5 % et 50 %.
Le rapport de surfaces entre la section du premier compartiment 33a contenue dans le plan de l'ouverture aval 23 et la totalité de la section de cette ouverture aval 23 peut être compris entre 5 % et 50 %.
En variante non représentée, on peut aussi envisager une pluralité de déflecteurs analogues au déflecteur 29, disposés de manière sensiblement parallèle les uns aux autres à l'intérieur de la tuyère 7.
Le mode de fonctionnement est les avantages de la tuyère et de l'échangeur de chaleur selon l'invention sont les suivants.
Lorsque l'aéronef est en fonctionnement, le bloc d'échange de chaleur 3 permet de refroidir le flux d'air chaud FC en provenance du moteur par échange thermique avec le flux d'air frais FF en provenance de l'extérieur de la nacelle.
Le flux d'air chaud refroidi poursuit sa course vers la conduite de sortie 11 (voir figure 3) en vue de la régulation de la température de l'air envoyé vers des parties de l'avion telles que la cabine (air de pressurisation cabine), les réservoirs de carburant, voire aussi les systèmes de dégivrage si les parties à dégivrer comportent des matériaux (par exemple composites) risquant d'être endommagés au-dessus d'une certaine température de l'air de dégivrage.
Le flux d'air froid réchauffé pénètre à l'intérieur de la tuyère 7 par l'ouverture amont 21.
Plus précisément, et comme cela est visible sur la figure 7, la partie FF1 du flux froid réchauffé située la plus proche de l'arrivée d'air chaud FC par la conduite 9 (voir figure 3), pénètre à l'intérieur du premier compartiment 31a de la tuyère 7, tandis que la partie moins chaude FF2 et FF3 de ce flux froid réchauffé pénère dans le deuxième compartiment 31b de la tuyère 7.
Grâce à la forme particulière vrillée du déflecteur 29, la partie la plus chaude FF1 du flux froid réchauffé se retrouve « au-dessus » (par rapport à l'orientation de la feuille de papier sur laquelle est représentée la figure 7) de la partie moins chaude FF2 et FF3 de ce flux, en sortie de la tuyère 7.
Cela est également représenté de manière shchématique sur la figure 8, où l'on peut voir que les couches d'air relativement chaud « c » et froid « f » dans les ouvertures amont 21 et aval 23 passent respectivement d'une configuration juxtaposée selon la circonférence de la nacelle, à une configuration étagée selon la direction radiale de la nacelle, la couche d'air chaud « c » se trouvant au-dessus de la couche d'air froid « f » en sortie de nacelle.
En d'autres temres, la couche d'air froid «f» est inteposée entre la couche d'air chaud « c » et la paroi extérieure de la nacelle 15, à la sortie de la tuyère 7.
Grâce à cette modification de la distribution de l'air à la sortie ce cette tuyère, on protège la paroi extérieure de la nacelle contre les surchauffes susceptibles d'altérer l'aspect, voir la stucture de cette paroi.
Ces avantages liés à l'invention sont confirmés par le calcul, comme le montrent les figures 9 et 10 issues d'un logiciel de simulation.
La zone A de ces figures indique l'air extérieur, et la zone B la zone intérieure à la nacelle. L'interface entre ces deux zones corrrespond à la paroi extérieure de la nacelle 15.
Le flux d'air extérieur à la nacelle est indiqué par la flèche F.
On peut voir sur ces figures le flux d'air frais réchauffé FF passant à l'intérieur de la tuyère 7, et débouchant vers l'extérieur par l'ouverture aval 23 de cette tuyère.
On a représenté par des hachures H la partie du flux froid réchauffé FF présentant les plus fortes températures (pouvant atteindre quelques centaines de degrés Celsius) : comme on peut le voir, avec une tuyère de l'art antérieur (figure 9), la zone H de très hautes températures est située immédiatment en aval de l'ouverture aval 23 de la tuyère 7, par rapport au sens de circulation de l'air extérieur F, provoquant ainsi des brûlures sur la partie de la paroi de la nacelle située immédiatement en aval de cette ouverture.
En revanche, avec une tuyère selon l'invention, et comme cela est visible sur la figure 10, la zone de très hautes températures H (correspondant à la flèche FF1 de la figure 7) est située en amont de l'ouverture aval 23, et séparée du bord aval de cette ouverture 23 par une zone de moins hautes températures (correspondant aux flèches FF2 et FF3), évitant ainsi de brûler la paroi de la nacelle située en aval de la tuyère 7.

Claims (3)

  1. REVENDICATIONS
    1. Tuyère de sortie (7) pour l'évacuation d'air ayant traversé un échangeur de chaleur (1) du type air/fluide dans un ensemble propulsif d'aéronef, comprenant une ouverture amont (21) et une ouverture aval (23), l'ouverture amont (21) étant destinée à être raccordée à un bloc d'échange de chaleur (3) dans lequel peuvent se croiser un flux d'air frais (FF) et un fluide chaud (FC) destiné à être refroidi par l'air frais, l'ouverture aval (23) étant destinée à être balayée par de l'air extérieur s'écoulant à l'extérieur de l'échangeur de chaleur (1) en fonctionnement de l'aéronef, selon un sens de circulation (F) généralement constant, ladite tuyère de sortie (7) comprenant en outre au moins un déflecteur (29) définissant des premier (31a) et deuxième (31b) compartiments à l'intérieur de cette tuyère (7), ledit premier compartiment (31a) débouchant dans une première zone (33a) de ladite ouverture amont (21) et dans une première zone (35a) de ladite ouverture aval (23), et ledit deuxième compartiment (31b) débouchant dans une deuxième zone (33b) de ladite ouverture amont (21) et dans une deuxième zone (35b) de ladite ouverture aval (23), et ladite première zone (33a) de l'ouverture amont (21) étant destinée, à être positionnée plus proche d'une entrée de fluide chaud (FC) du bloc d'échange de chaleur (3) que ladite deuxième zone (33b) de l'ouverture amont (21), et ladite première zone (35a) de l'ouverture aval (23) étant positionnée en amont d'au moins une partie (P) de ladite deuxième zone (35b) de l'ouverture aval (23), par rapport au sens de circulation (F) de l'air extérieur en fonctionnement de l'aéronef.
  2. 2. Tuyère de sortie (7) selon la revendication 1, dans laquelle le rapport de surfaces entre la section du premier compartiment (31a) contenue dans le plan de l'ouverture amont (21) et la totalité de la section de cette ouverture amont (21) est compris entre 5 % et 50 %. 3. Tuyère de sortie (7) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le rapport de surfaces entre la section du premier compartiment (31a) contenue dans le plan de l'ouverture aval (23) et la totalité de la section de cette ouverture aval (23) est compris entre 5 % et 50 %. 4. Tuyère de sortie (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une pluralité de déflecteurs définissant une pluralité de compartiments débouchant chacun dans des zones respectives de l'ouverture amont et de l'ouverture aval.
  3. 5. Echangeur (1) de type air/fluide, équipé d'une tuyère de sortie (7) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Echangeur (1) selon la revendication 5, du type échangeur air/air. 7. Echangeur (1) selon l'une des revendications 5 ou 6, formant pré-refroidisseur pour ensemble propulsif d'aéronef. 8. Ensemble propulsif d'aéronef (13, 15, 17), équipé d'un échangeur de chaleur (1) conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 7. 9. Ensemble propulsif selon la revendication 8, comprenant une nacelle, dans lequel l'ouverture aval (23) de l'échangeur de chaleur (1) débouche de manière affleurante sur la paroi extérieure de la nacelle.
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