FR3081509A1 - Moteur d'aeronef avec controle thermique de la veine du compresseur et procede pour ledit controle thermique - Google Patents

Moteur d'aeronef avec controle thermique de la veine du compresseur et procede pour ledit controle thermique Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un moteur d'aéronef, comportant des compresseurs basse pression (3) et haute pression (4) reliés ensemble par une veine (8) d'écoulement d'air, ladite veine (8) étant délimitée par des carters annulaires coaxiaux respectivement interne (10) et externe (9), caractérisé en ce qu'il comprend des cellules à effet Peltier (13) configurées pour modifier la température d'au moins une partie dudit carter externe (9) en fonctionnement. Elle concerne aussi un procédé de gestion de la température de ladite veine en fonction des conditions d'utilisation du moteur.

Description

MOTEUR D’AERONEF AVEC CONTROLE THERMIQUE DE LA VEINE DU COMPRESSEUR ET PROCEDE POUR LEDIT CONTROLE THERMIQUE
Domaine technique :
La présente invention concerne le domaine des moteurs d’aéronef. Elle vise plus particulièrement des moteurs comportant successivement un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, ainsi que la conception de la veine annulaire guidant l’air de l’un vers l’autre.
Etat de l’art :
Lors de certaines phases de vol, l’eau présente dans l’air entrant dans le moteur peut givrer, y compris à l’intérieur du flux primaire dans la veine annulaire reliant le compresseur basse pression au compresseur haute pression. Des portes de décharges peuvent être ouvertes pour évacuer ou diriger les particules de glace afin d’éviter l’accrétion de givre sur les parois de la veine entre les deux compresseurs. Cependant, l’ouverture de ces portes modifie les caractéristiques du flux primaire et n’est pas toujours adaptée au fonctionnement du moteur. Dans ce cas, lorsque lesdites portes sont fermées, les parois de la veine entre les deux compresseurs peuvent subir une accrétion de glace.
La glace fixée aux parois peut se détacher et impacter les aubes du compresseur haute pression en aval. Compte tenu de la vitesse de l’écoulement et de la taille des blocs qui peuvent se détacher, cela peut endommager en particulier les aubes de la roue directrice d’entrée et/ou de la première roue mobile, dans le compresseur haute pression. De plus, un impact important de glace sur une aube de la roue directrice d’entrée peut la pousser vers l’aval au point de la faire entrer en contact avec la première roue mobile, ce qui peut entraîner des dommages encore plus conséquents.
Il existe donc un besoin d’éviter l’accrétion de glace sur les parois de la veine de flux primaire entre le compresseur basse pression et le compresseur haute pression.
L’invention a pour but de proposer une alternative à l’utilisation de portes de décharge pour parvenir à ce résultat en perturbant le moins possible l’écoulement du flux primaire, notamment sans en modifier le débit ou la pression.
Présentation de l’invention:
L’invention concerne un moteur d’aéronef, comportant des compresseurs basse pression et haute pression reliés ensemble par une veine d’écoulement d’air, ladite veine étant délimitée par des carters annulaires coaxiaux respectivement interne et externe, caractérisé en ce qu’il comprend des cellules à effet Peltier configurées pour modifier la température d’au moins une partie dudit carter externe en fonctionnement.
En modifiant la température du carter externe, notamment en chauffant ladite partie, les cellules à effet Peltier permettent d’empêcher que se forment des blocs de glaces accrochés à ladite partie du carter externe. Ainsi, l’invention combat la formation de bloc de glaces venant impacter les éléments du compresseur haute pression. Par ailleurs l’utilisation de cellules à effet Peltier est avantageuse car celles-ci se présentent sous forme de plaques pouvant venir chauffer le carter par conduction thermique contre la paroi du carter sans créer de perturbations aérodynamiques pour l’écoulement dans la veine. On peut aussi répartir leur implantation autour du carter externe de manière adaptée à la surface dont on veut contrôler la température.
En général, la veine a une demi section axiale en forme de S.
De préférence, les cellules à effet Peltier sont situées sur une portion annulaire du carter externe située sensiblement en regard d’une sortie dudit compresseur basse pression.
En effet, cette portion annulaire est directement impactée par le flux d’air qui rentre dans la veine. Donc si cet air comporte des particules de givre ou est susceptible de givrer derrière le compresseur basse pression, les particules de givres seront projetées sur ladite portion annulaire et s’y accumuleront. On a donc intérêt à agir directement sur cette portion annulaire du carter externe pour en modifier la température.
De préférence, les cellules à effet Peltier sont aptes à chauffer le carter externe.
Avantageusement, les cellules à effet Peltier sont également aptes à refroidir le carter externe.
En effet, dans certaines conditions de vol, il peut être intéressant de refroidir l’eau présente dans l’écoulement de telle sorte qu’elle forme des petits cristaux de glace trop froids pour se figer sur les parois. Ces petits cristaux ne se coagulent pas sur les parois et sont emportés par l’écoulement sans créer de dommage aux aubes du compresseur haute pression.
Avantageusement, ledit moteur d’aéronef comprend des cellules à effet Peltier (14) configurées pour modifier la température du carter interne.
Du fait de la forme générale en S, le carter interne comporte aussi des portions auprès desquelles peuvent se créer des conditions d’écoulement propices à la précipitation et à l’accrétion de blocs de givres. Il est donc intéressant de pouvoir chauffer ces portions du carter interne. De plus, dans l’hypothèse indiquée précédemment, où l’on veut refroidir l’écoulement dans la veine, il est préférable d’avoir le maximum de surface de contact entre les cellules à effet Peltier et l’écoulement, donc de les répartir sur l’ensemble des parois.
De préférence, les cellules à effet Peltier sont reliées à un calculateur qui est configuré pour recevoir des signaux de capteurs de température et de pression installés dans le moteur.
Ces capteurs permettent au calculateur d’identifier les conditions de fonctionnement présentant un risque et de commander les cellules à effet Peltier en fonction de la stratégie définie pour contrer ce risque.
Préférentiellement, des capteurs de température et de pression sont montés en entrée du moteur et/ou en entrée du compresseur basse pression.
L’invention concerne également un procédé de gestion de la température d’une veine d’écoulement d’air d’un moteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend le chauffage ou le refroidissement des carters de la veine lorsque des conditions givrantes sont détectées ou déterminées.
Brève description des figures :
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 représente schématiquement une demi coupe axiale d’un moteur d’aéronef utilisant l’invention.
La figure 2 représente schématiquement une demi coupe axiale d’une veine annulaire de moteur d’aéronef équipée de l’invention.
La figure 3 représente schématiquement une vue générale d’une cellule à effet Peltier utilisée par l’invention.
La figure 4 représente schématiquement une coupe d’un composant élémentaire de la cellule à effet Peltier de la figure 3.
La figure 5 représente un schéma de principe d’un système de contrôle thermique selon l’invention dans la veine annulaire de la figure 2.
Description d’un mode de réalisation de l’invention :
Un exemple de moteur d’aéronef concerné par l’invention, de type turbomachine à double flux, est illustré sur la figure 1. Dans le document, l’amont et l’aval sont compris par rapport au sens de l’écoulement d’air suivant l’axe X du moteur. Le moteur comprend en amont une hélice de soufflante 1 entraînant le flux d’air entrant qui se sépare ensuite en un écoulement secondaire, passant autour du compartiment moteur 2, et en un écoulement primaire. L’écoulement primaire passe par un premier compresseur 3, dit compresseur basse pression, puis par un second compresseur 4, dit compresseur haute pression, avant d’entrer dans la chambre de combustion 5, puis d’entraîner plusieurs étages de turbine 6-7.
Généralement, les caractéristiques du compresseur basse pression 3 et du compresseur haute pression 4 sont assez différentes. L’air traversant le compresseur basse pression 3, alimenté derrière l’hélice de soufflante 1 est encore relativement froid, fortement influencé par les conditions atmosphériques traversées par le moteur. Le compresseur haute pression 4 est conçu pour augmenter fortement la pression de l’air pré comprimé par le compresseur basse pression 3. De plus, ses rotors tournent généralement à des vitesses supérieures à celles des rotors du compresseur basse pression 3. Ces caractéristiques, entre autres, font que le compresseur haute pression 4 est plus compact et a un diamètre extérieur d’entrée D1 qui est inférieur au diamètre extérieur de sortie D2 en sortie du compresseur basse pression 3, comme on peut le voir sur la figure 2.
La sortie du compresseur basse pression 3 est donc reliée à l’entrée du compresseur haute pression 4 par une veine annulaire 8 de raccordement dont la demi section axiale présente une forme générale en S, avec une première courbure infléchie vers l’axe X de la turbomachine, puis une deuxième courbure en sens inversé.
En référence à la figure 2, cette veine 8 est délimitée entre un carter annulaire externe 9 et un carter annulaire interne 10, qui se raccordent en amont et en aval, aux carters, respectivement externe et interne, du compresseur basse pression 3 et du compresseur haute pression 4. La demi section axiale de chaque carter 9-10 de la veine 8 présente donc également une forme générale en S, avec une première courbure infléchie vers l’axe X de la turbomachine, puis une deuxième courbure en sens inversé.
On notera ici que la paroi du carter externe 9 présente en particulier une zone annulaire A, située en fin de la première courbure et en début de la seconde courbure, qui est en regard de la sortie du compresseur basse pression 3 et qui est donc directement impactée par le flux d’air qui rentre dans la veine 8, représenté par la flèche F. Donc si cet air comporte des particules de givre ou est susceptible de givrer derrière le compresseur basse pression 3, les particules de givres seront projetées en priorité sur ladite zone A de la paroi du carter externe 9 et s’y accumuleront. Par ailleurs, ladite zone annulaire A comprend un point d’inflexion de courbure, ce qui favorise des turbulences qui peuvent arracher des particules de givre qui iront impacter la première roue statique 11 et/ou la première roue mobile 12 du compresseur haute pression 4, comme indiqué en introduction.
On notera également que la forme de la paroi du carter interne 10, en s’écartant de la direction principale de l’écoulement F en sortie du compresseur basse pression 3, crée une zone de dépression juste derrière ce dernier. Cela est favorable aussi à des phénomènes de givrage et d’accumulation sur une deuxième zone annulaire B de paroi, ici sur la paroi du carter interne 10, qui débute au niveau de l’entrée de la veine 8.
Selon l’invention, la paroi du carter externe 9 de la veine de raccordement 8 est équipée de cellules 13 à effet thermique, capables de chauffer, voire de refroidir, la paroi au contact de l’écoulement dans la veine 8. Ces cellules 13 à effet thermique sont placées en priorité dans la zone A, impactée par le givre.
Avantageusement, sur l’exemple présenté, des cellules 14 à effet thermique du même type sont également installées sur la paroi du carter interne 10 en contact avec l’écoulement, en priorité dans ladite deuxième zone B où des effets des givrages sont redoutés.
Les cellules 13-14 à effet thermique utilisent ici des cellules à effet Peltier. Dans l’effet Peltier, si deux matériaux identiques sont reliés à un autre matériau avec deux jonctions en série autour de ce dernier, une différence de température entre les deux jonctions entraîne une différence de potentiel électrique. Il s’agit de l’effet Seebeck. L’amplitude du rapport entre la différence de potentiel et la différence de température dépend des matériaux utilisés qui sont caractérisés par un coefficient de Seebeck vis-àvis de ce phénomène. L’effet Peltier utilise l’effet thermoélectrique réciproque : il y a création de chaleur à une jonction et absorption de chaleur à l’autre jonction lorsqu’un courant est appliqué, l’amplitude des effets thermiques étant liée au même coefficient de Seebeck.
En référence aux figures 3 et 4, les principales caractéristiques de cette technologie connue sont brièvement rappelées ci-après.
Une desdites cellules à effet Peltier 13-14 installées sur la paroi des carters 9-10 comporte deux plaques, 15 et 16, qui forment chacune une face en contact avec l’extérieur et qui enserrent des assemblages de composants thermoélectriques 17 reliés à une alimentation en courant électrique 18. Suivant le sens du courant, une face refroidit et l’autre chauffe. Les deux plaques sont conductrices thermiquement. L’une des plaques 15 est destinée à être en contact avec l’écoulement dans la veine de raccordement 8, l’autre 16 rayonne vers la structure de la turbomachine.
En référence à la figure 4, pour chaque assemblage de composants 17, un premier élément 18 et un second 19 élément formés d’un premier matériau, qui est un conducteur pour le courant entrant dans la cellule, sont plaqués contre la première plaque 15. Le premier 18 et le second 19 éléments sont disjoints, légèrement écartés, de manière à ce qu’il n’y ait pas de transmission électrique directe entre ces deux éléments. Un troisième élément 20, formé d’un semi-conducteur de type N, est posé sur le premier élément 18, en contact électrique avec lui. Un quatrième élément 21, formé d’un semi-conducteur de type P, est posé sur le deuxième élément 19, en contact électrique avec lui. Enfin, un cinquième élément 22, formé du premier matériau conducteur, est plaqué contre la deuxième plaque 16 et forme un pont électrique entre les troisième 20 et quatrième 21 éléments.
Les troisième 20 et quatrième 21 éléments sont donc électriquement connectés en série par des éléments conducteurs 18, 19, 22. Le semi-conducteur de type P a un coefficient de Seebeck positif et le semi-conducteur de type N a un coefficient de Seebeck négatif. Ainsi, lorsqu’un courant électrique traverse cet assemblage dans un sens, l’effet Peltier entraîne que les jonctions des troisième 20 et quatrième 21 éléments avec les éléments conducteurs 18, 19, chauffent la première plaque 15, tandis que les jonctions des troisième 20 et quatrième 21 éléments avec l’élément conducteur 22 refroidissent la deuxième plaque 16. Inversement, si le sens du courant est inversé, la première plaque 15 est refroidie tandis que la seconde plaque 16 est chauffée.
Les alimentations électriques des 18 cellules à effet Peltier 13-14 du dispositif sont avantageusement reliées à un réseau électrique alimenté en électricité par des générateurs électriques présents sur le moteur. En général, ces générateurs électriques sont entraînés par le moteur via la boîte de relais d’accessoires. Ces moyens, assez généralement installés sur un moteur d’avion ne sont pas représentés ici.
Par contre, la figure 5 illustre schématiquement les moyens prévus pour piloter le fonctionnement des cellules à effet Peltier 13, 14, suivant les conditions de fonctionnement du moteur.
Ces moyens comprennent un ordinateur embarqué 23. Généralement, un moteur d’aéronef comporte un tel ordinateur embarqué pour piloter ces fonctions principales. Dans ce cas, l’ordinateur 23 comporte une fonctionnalité supplémentaire qui est de piloter le fonctionnement des cellules à effet Peltier en définissant le sens et l’intensité du courant envoyé aux alimentations 18 des cellules 13, 14.
Pour cela, l’ordinateur est relié à des capteurs qui sont en général déjà existants sur le moteur :
des capteurs 24 de mesure de température ambiante et de pression statique en entrée du moteur, avantageusement dans la nacelle où fonctionne la soufflante 1, pour déterminer si le moteur fonctionne dans des conditions givrantes, et au moins un capteur 25 de température et de pression en amont du compresseur basse pression 3.
De cette manière, il est possible de piloter le chauffage ou le refroidissement des parois de la veine de raccordement 8 en fonction des risques de givrage. Par exemple, si les conditions de fonctionnement font que du givre commence à s’accumuler soit sur la première zone A de la paroi soit sur la deuxième zone B de la paroi, le calculateur 23 peut commander l’alimentation des cellules à effet Peltier 13-14 installées dans la zone concernée pour qu’elles procurent l’apport de chaleur permettant d’éviter cette accumulation en faisant fondre le givre dès qu’il se forme.
A contrario, dans certaines conditions d’utilisation, il peut être intéressant que l’ordinateur 23 commande à l’ensemble des cellules à effet Peltier 13-14 de refroidir l’écoulement dans la veine 8, par exemple en entrée de veine. Le but est alors de précipiter l’humidité présente en petits cristaux qui seront emportés par l’écoulement au lieu de se coaguler plus en aval en paquets qui se fixeraient aux parois ou impacteraient les aubes du compresseur haute pression 4.

Claims (10)

  1. Revendications
    1. Moteur d’aéronef, comportant des compresseurs basse pression (3) et haute pression (4) reliés ensemble par une veine (8) d’écoulement d’air, ladite veine (8) étant délimitée par des carters annulaires coaxiaux respectivement interne (10) et externe (9), caractérisé en ce qu’il comprend des cellules à effet Peltier (13) configurées pour modifier la température d’au moins une partie dudit carter externe (9) en fonctionnement.
  2. 2. Moteur d’aéronef selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la veine (8) a une demi section axiale en forme de S.
  3. 3. Moteur d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules à effet Peltier (13) sont situées sur une portion annulaire (A) du carter externe (9) située sensiblement en regard d’une sortie dudit compresseur basse pression (3).
  4. 4. Moteur d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules à effet Peltier (13) sont aptes à chauffer le carter externe (9).
  5. 5. Moteur d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules à effet Peltier (13) sont aptes à refroidir le carter externe (9).
  6. 6. Moteur d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend des cellules à effet Peltier (14) configurées pour modifier la température du carter interne (10).
  7. 7. Moteur d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules à effet Peltier (13, 14) sont reliées à un calculateur (23) qui est configuré pour recevoir des signaux de capteurs (24, 25) de température et de pression installés dans le moteur.
  8. 8. Moteur d’aéronef selon la revendication précédente, caractérisé en ce que des capteurs (24) de température et de pression sont montés en entrée du moteur.
    5
  9. 9. Moteur d’aéronef selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que des capteurs (25) de température et de pression sont montés en entrée du compresseur basse pression (3).
  10. 10. Procédé de gestion de la température d’une veine d’écoulement d’air (8) d’un 10 moteur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend le chauffage ou le refroidissement des carters (9, 10) de la veine (8) lorsque des conditions givrantes sont détectées ou déterminées.
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