FR3078368A1 - Turbomachine comportant un echangeur de chaleur dans la veine secondaire - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une turbomachine (10) d'aéronef comportant une veine primaire (16) d'écoulement d'air dans laquelle sont aménagés un compresseur basse pression (30) et un compresseur haute pression (32), une veine secondaire (20) d'écoulement d'air qui est située autour de la veine primaire (16) et coaxialement à la veine primaire (16), un circuit d'air pressurisé (40) prélevant de l'air entre le compresseur basse pression (30) et le compresseur haute pression (32) ou dans le compresseur haute pression (32), pour produire un flux d'air pressurisé qui alimente au moins un composant (12) de la turbomachine (10), ledit au moins un composant (12) est situé radialement dans la turbomachine (10) à proximité d'un axe principal (A) de la turbomachine par rapport à la veine primaire (16), dans laquelle le circuit d'air pressurisé (40) comporte un échangeur de chaleur (44) entre le flux d'air pressurisé et le flux d'air s'écoulant dans la veine secondaire (20), caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (44) comporte une conduite (50) dans laquelle l'air pressurisé s'écoule, qui est disposée dans la veine secondaire (20) d'écoulement d'air.
Description
TURBOMACHINE COMPORTANT UN ECHANGEUR DE CHALEUR DANS LA VEINE SECONDAIRE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne une turbomachine, telle qu'une turbomachine d'aéronef comportant des moyens de refroidissement d'un composant situé à proximité d'un axe principal de la turbomachine.
L'invention concerne plus particulièrement une turbomachine comportant des moyens de refroidissement d'un arbre rotatif basse pression et/ou de chambres de pressurisation d'huile de lubrification.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans les turbomachines actuelles, il y a de nombreux circuits d'air interne moteur. Ces circuits assurent différentes fonctions.
Parmi ces circuits, un circuit d'air réalise à la fois la fonction de pressurisation d'enceintes d'huile de lubrification pour éviter que l'huile ne sorte de ces enceintes et la fonction de refroidissement de l'arbre basse pression.
L'air de ce circuit est prélevé au niveau du compartiment inter-veine, en aval du compresseur basse pression, de préférence entre le compresseur basse pression et le compresseur haute pression.
Cet air est ensuite évacué par les déshuileurs, pour l'air passant par les enceintes et à l'aval de la turbine basse pression pour le reste.
Ce circuit va subir des pertes de charges dues aux changements de rayons, trous, joints, etc. Il faut donc que le rapport de pression (pression prélevée / pression sortante) soit assez grand pour que l'air circule correctement et avec le débit souhaité.
Parmi les contraintes sur ce circuit d'air, il faut que la température de l'air soit assez froide pour refroidir l'arbre basse pression et pour ne pas trop réchauffer l'huile des enceintes. La pression de l'air doit être suffisante pour que le rapport de pression mentionné précédemment soit assez important et permette de faire circuler le débit spécifié.
Aussi, dans certaines turbomachines, le cycle thermodynamique est tel que le rapport de pressions est trop faible pour que ce circuit respecte ces fonctions. Il faut donc trouver une solution de contournement.
Le document US-2017167384 décrit une turbomachine comportant un échangeur de chaleur permettant de refroidir le flux d'air prélevé en aval du compresseur basse pression. Ce dispositif permet d'avoir de l'air à une pression plus importante et une température assez froide pour être utilisée pour faire la pressurisation des enceintes huile.
Pour cela, une partie du flux d'air frais circulant dans la veine secondaire est prélevée pour circuler dans l'échangeur de chaleur puis retourne dans la veine secondaire.
Une telle réalisation d'un échangeur de chaleur limite l'efficacité de la turbomachine car le prélèvement et le retour de l'air frais dans la veine secondaire produit des pertes de charge dans la veine secondaire.
L'invention a pour but de proposer une turbomachine comportant des moyens permettant de refroidir efficacement le circuit d'air prélevé en aval du compresseur basse pression, tout en produisant de faibles pertes de charge.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne une turbomachine d'aéronef comportant une veine primaire d'écoulement d'air dans laquelle sont aménagés un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une veine secondaire d'écoulement d'air qui est située autour de la veine primaire et coaxialement à la veine primaire, un circuit d'air pressurisé prélevant de l'air entre le compresseur basse pression et le compresseur haute pression ou dans le compresseur haute pression, pour produire un flux d'air pressurisé qui alimente au moins un composant de la turbomachine, ledit au moins un composant est situé radialement dans la turbomachine à proximité d'un axe principal A de la turbomachine par rapport à la veine primaire, dans laquelle le circuit d'air pressurisé comporte un échangeur de chaleur entre le flux d'air pressurisé et le flux d'air s'écoulant dans la veine secondaire, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur comporte une conduite dans laquelle l'air pressurisé s'écoule, qui est disposée dans la veine secondaire d'écoulement d'air.
L'utilisation d'une conduite disposée dans la veine secondaire permet de produire de faibles pertes de charge à la fois dans la veine secondaire et aussi dans le circuit d'air pressurisé.
De préférence, la turbomachine comporte un compartiment inter-veine situé radialement entre la veine primaire et la veine secondaire, qui comporte une paroi radialement externe délimitant radialement la veine secondaire, et la conduite est accolée à la paroi de révolution radialement interne.
De préférence, la conduite forme un enroulement en hélice autour de la paroi radialement externe du compartiment inter-veine.
De préférence, la conduite comporte des ailettes radiales externes.
De préférence, la turbomachine comporte un compartiment inter-veine de révolution s'étendant entre la veine primaire et la veine secondaire, et
- le circuit d'air pressurisé comporte, dans le sens d'écoulement d'air dans celui-ci :
- au moins un point de prélèvement d'air qui est porté par une paroi radialement interne du compartiment inter-veine ;
- un tronçon amont s'étendant au travers du compartiment interveine jusqu'à la veine secondaire ;
- ladite conduite disposée dans la veine secondaire ;
- un tronçon aval s'étendant au travers du compartiment inter-veine depuis la veine secondaire jusqu'à la veine primaire et s'étendant au travers d'un bras profilé traversant la veine primaire ;
- des moyens de répartition de l'air pressurisé vers ledit au moins un composant de la turbomachine.
De préférence, ledit au moins un composant de la turbomachine est un arbre basse pression de la turbomachine.
De préférence, ledit au moins composant est une enceinte de pressurisation d'huile de lubrification.
De préférence, ledit au moins composant est un réducteur de vitesse qui est agencé entre l'arbre basse pression et une soufflante de la turbomachine.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique en section axiale d'une turbomachine d'aéronef comportant un circuit d'air pressurisé réalisé selon l'invention ;
- la figure 2 est un détail à plus grande échelle d'un tronçon de la conduite utilisée pour réaliser l'échange thermique.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On a représenté à la figure 1 une turbomachine 10 d'aéronef.
La turbomachine 10 comporte, en s'éloignant de son axe principal A, un arbre basse pression 12, un arbre haute pression 14, une veine primaire 16 d'écoulement d'air, une veine secondaire 20 d'écoulement d'air, un compartiment inter-veine 18 séparant la veine primaire 16 et la veine secondaire 20 et une virole 22 de carter intermédiaire..
Le compartiment inter-veine 18, aussi appelé core compartiment, est délimité radialement par une paroi radialement interne 24 délimitant l'extérieur de la veine primaire 16 et une paroi radialement externe 26 délimitant l'intérieur de la veine secondaire 20. Le carter extérieur 22 comporte une paroi radialement interne 28 délimitant l'extérieur de la veine secondaire 20.
La veine primaire 16 comporte, d'amont en aval, selon le sens d'écoulement d'air dans celle-ci, c'est-à-dire ici de gauche à droite en se reportant à la figure 1, un compresseur basse pression 30, un compresseur haute pression 32, une chambre de combustion 34, une turbine haute pression et une turbine basse pression.
La turbomachine 10 comporte en outre des circuits d'air qui sont répartis à l'intérieur de celle-ci pour refroidir plusieurs composants de la turbomachine
10.
Parmi ces circuits, comme on peut le voir à la figure 1, la turbomachine 10 comporte un circuit d'air pressurisé 40 qui est conçu pour refroidir l'arbre basse pression 12 et pour alimenter en air pressurisé des enceintes contenant de l'huile de lubrification de parties mobiles, qui sont par exemple situées au niveau de l'arbre basse pression 12.
Cet air pressurisé peut aussi alimenter un réducteur de vitesse (non représenté) qui est agencé entre l'arbre basse pression 12 et la soufflante de la turbomachine.
Le réducteur de vitesse permet de dissocier la vitesse de rotation de la soufflante avec celle de l'arbre basse pression 12 par lequel la soufflante est entraînée. Cela permet notamment de réduire la vitesse de rotation des pales de la soufflante par rapport à celle des compresseurs basse pression, et ainsi d'optimiser leurs efficacités respectives et donc d'améliorer le rendement de propulsion. Un tel réducteur est particulièrement avantageux dans le cas d'un turboréacteur à fort taux de dilution, c'està-dire pour lequel le rapport entre la quantité de flux d'air s'écoulant dans la veine secondaire.
Un taux de dilution élevé permet de réduire la consommation du moteur, mais conduit à des dimensions de soufflante élevées. La vitesse de rotation de la soufflante est alors limitée, et restreint d'autant celle du compresseur basse pression et de la turbine basse pression.
Ce circuit d'air pressurisé 40 comporte au moins un point de prélèvement d'air 42 qui est situé sur la paroi radialement interne 24 du compartiment inter-veine 18. Ce point de prélèvement 42 est situé entre le compresseur basse pression 30 et le compresseur haute pression 32 ou bien dans le compresseur haute pression 32.
Dans ce dernier cas, le point de prélèvement d'air 42 est situé au niveau de l'un des étages du compresseur haute pression 32 qui est déterminé en fonction de la pression de l'air pressurisé, sa température et de la possibilité de réaliser un prélèvement sur les premiers étages du compresseurs haute pression 32 malgré la présence d'aubes à calage variables (communément désignées VSV pour Variable Stator Vanes).
L'air prélevé est à une pression suffisamment importante pour pressuriser les enceintes d'huile. Par contre, la température de cet air est trop élevée pour permettre le refroidissement de l'arbre basse pression 12 et aussi pour avoir de bonnes conditions de fonctionnement du circuit de lubrification.
Le circuit d'air pressurisé 40 comporte à cet effet un échangeur de chaleur 44 permettant de réduire la température de l'air pressurisé.
Cet échangeur de chaleur 44 est du type air-air et la source d'air froid est constituée par l'air circulant dans la veine secondaire 20.
L'échangeur de chaleur 44 est ainsi situé au niveau de la veine secondaire 20, comme on le décrira par la suite.
Le circuit d'air pressurisé 40 comporte, dans le sens d'écoulement d'air dans celui-ci, un tronçon amont 46 qui s'étend depuis le point de prélèvement d'air 42 jusqu'à l'échangeur de chaleur 44, l'échangeur de chaleur 44, un tronçon aval 48 qui s'étend depuis l'échangeur de chaleur 44 jusqu'à l'arbre basse pression 12 et des moyens (non représentés) de répartition de l'air pressurisé en direction des points de refroidissement de l'arbre basse pression 12 et les enceintes de pressurisation d'huile.
Ainsi, le tronçon amont 46 du circuit d'air pressurisé s'étend au travers du compartiment inter-veine 18, depuis sa paroi radialement interne 24 au niveau de laquelle le tronçon amont 46 est relié au point de prélèvement d'air 42, jusqu'à la paroi radialement externe 26 du compartiment inter-veine 18, au niveau de laquelle il est relié à l'échangeur de chaleur 44.
Aussi le tronçon aval 48 du circuit d'air pressurisé s'étend au travers du compartiment inter-veine 18, à partir de sa paroi radialement externe au niveau de laquelle il est relié à l'échangeur de chaleur 44 et il traverse aussi la veine primaire 16 dans des bras profilés 64 placés entre le compresseur basse pression 30 et haute pression 32, avantageusement.
Comme on l'a dit plus haut, la source d'air froid de l'échangeur de chaleur 44 est constituée de l'air circulant dans la veine secondaire 20.
Pour réaliser l'échange de chaleur entre l'air pressurisé et l'air frais circulant dans la veine secondaire 20, l'échangeur de chaleur 44 comporte une conduite 50 qui est agencée dans la veine secondaire 20.
Comme on peut le voir à la figure 2, la conduite 50 est réalisée à partir d'un élément tubulaire 52 creux dans lequel le flux d'air pressurisé circule. Le flux d'air s'écoulant dans la veine secondaire 20 vient en contact avec la paroi externe 54 de l'élément tubulaire 52.
Selon une variante de réalisation, la paroi externe 54 de l'élément tubulaire comporte des ailettes radiales 56 qui font saillie par rapport à la paroi externe 54. Ces ailettes 56 consistent par exemple en des anneaux plans concentriques à l'élément tubulaire 52 ou bien elles forment au moins une hélice radiale.
La conduite 50 s'étend en travers du flux d'air s'écoulant dans la veine secondaire 20, assurant ainsi un échange de chaleur suffisant.
La conduite 50 est agencée au niveau du compartiment inter-veine 18, ce qui permet d'une part de limiter les perturbations aérodynamiques provoquées par la conduite 50 dans la veine secondaire 20 et cela permet aussi de faciliter le raccordement de la conduite au tronçon amont 46 et au tronçon aval 48.
Les dimensions de la conduite 50 sont définies en fonction de l'efficacité de l'échange de chaleur qui doit avoir lieu et aussi en fonction des perturbations sur le flux d'air dans la veine secondaire 20 et dans la conduite 50.
Ainsi, plus la longueur linéaire de la conduite 50 est importante, plus l'efficacité de l'échange de chaleur sera importante, et plus le diamètre de la conduite 50 est important, plus les perturbations du flux d'air dans la veine secondaire 20 seront importantes et moins celles dans la conduite 50 seront faibles.
Selon un mode de réalisation préféré, la conduite 50 est accolée contre la paroi radialement externe 26 du compartiment inter-veine 18.
Préférentiellement, la conduite 50 est disposée sur la paroi radialement externe 26 du compartiment inter-veine 18 en formant une hélice centrée sur l'axe 5 principal A de la turbomachine 10.
Le nombre d'enroulements de l'hélice est dépendant de la longueur linéaire de la conduite qui aura été déterminée et du diamètre de la paroi radialement externe 26 du compartiment inter-veine 18.
Une réalisation de la conduite 50 en hélice permet de limiter les pertes 10 de charge dans le flux d'air pressurisé, par rapport à une solution comportant des coudes créant des pertes de charge singulières. Ainsi, la baisse de pression dans le flux d'air pressurisé est moindre.
Claims (8)
1. Turbomachine (10) d'aéronef comportant une veine primaire (16) d'écoulement d'air dans laquelle sont aménagés un compresseur basse pression (30) et un compresseur haute pression (32), une veine secondaire (20) d'écoulement d'air qui est située autour de la veine primaire (16) et coaxialement à la veine primaire (16), un circuit d'air pressurisé (40) prélevant de l'air entre le compresseur basse pression (30) et le compresseur haute pression (32) ou dans le compresseur haute pression (32), pour produire un flux d'air pressurisé qui alimente au moins un composant (12) de la turbomachine (10), ledit au moins un composant (12) est situé radialement dans la turbomachine (10) à proximité d'un axe principal (A) de la turbomachine par rapport à la veine primaire (16), dans laquelle le circuit d'air pressurisé (40) comporte un échangeur de chaleur (44) entre le flux d'air pressurisé et le flux d'air s'écoulant dans la veine secondaire (20), caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (44) comporte une conduite (50) dans laquelle l'air pressurisé s'écoule, qui est disposée dans la veine secondaire (20) d'écoulement d'air.
2. Turbomachine (10) selon la revendication précédente, qui comporte un compartiment inter-veine (18) situé radialement entre la veine primaire (16) et la veine secondaire (20), qui comporte une paroi radialement externe (26) délimitant radialement la veine secondaire (20), caractérisée en ce que la conduite (50) est accolée à la paroi de révolution radialement interne.
3. Turbomachine (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la conduite (50) forme un enroulement en hélice autour de la paroi radialement externe (26) du compartiment inter-veine (18).
4. Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la conduite (50) comporte des ailettes radiales externes (56).
5. Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui comporte un compartiment inter-veine de révolution s'étendant entre la veine primaire et la veine secondaire, caractérisée en ce que le circuit d'air pressurisé (40) comporte, dans le sens d'écoulement d'air dans celui-ci :
- au moins un point de prélèvement d'air (42) qui est porté par une paroi radialement interne (24) du compartiment inter-veine (18) ;
- un tronçon amont (46) s'étendant au travers du compartiment inter-veine (18) jusqu'à la veine secondaire (20) ;
- ladite conduite (50) disposée dans la veine secondaire (20) ;
- un tronçon aval (48) s'étendant au travers du compartiment interveine (18) depuis la veine secondaire (20) jusqu'à la veine primaire (16) et s'étendant au travers d'un bras profilé(80) traversant la veine primaire (16) ;
- des moyens de répartition de l'air pressurisé vers ledit au moins un composant (12) de la turbomachine (10).
6. Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit au moins un composant de la turbomachine est un arbre basse pression (12) de la turbomachine (10).
7. Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit au moins composant est une enceinte de pressurisation d'huile de lubrification.
8. Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit au moins composant est un réducteur de vitesse qui est agencé entre l'arbre basse pression (12) et une soufflante de la turbomachine (10).
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