FR3132932A1 - Turbomachine pourvue d’un échangeur thermique hydrogène/air - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne notamment une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, d’axe longitudinal et comprenant d’une part longitudinalement, d’amont en aval dans le sens d'écoulement du flux de gaz qui la traverse le long de l’axe longitudinal, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression, et, d’autre part, au moins un premier conduit (3) d’amenée d’hydrogène gazeux aux injecteurs de ladite chambre de combustion, ainsi qu’au moins un deuxième conduit (4) de circulation et de distribution d’air qui s’étend entre une première région dudit compresseur haute pression et une deuxième région de l’une et/ou l’autre desdites turbines haute et basse pression, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un circuit fermé tubulaire (5) qui contient un fluide caloporteur, au moins un premier tronçon (50) dudit circuit fermé tubulaire (5) s'étendant à l'intérieur dudit premier conduit (3) d’amenée d’hydrogène, et au moins un deuxième tronçon (50) dudit circuit fermé tubulaire (5) s'étendant à l'intérieur dudit deuxième conduit (4) de circulation et de distribution d’air. Figure pour l’abrégé : figure 4
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention se situe dans le domaine général des turbomachines pour aéronef qui sont alimentées en hydrogène gazeux, en lieu et place d'hydrocarbures tels que le kérosène.
Ainsi que cela est représenté schématiquement à la annexée, une telle turbomachine comprend généralement une soufflante ("fan" en anglais), un compresseur basse et haute pression CBP/CHP, une chambre de combustion CC dotée d’injecteurs qui permettent de l’alimenter en hydrogène gazeux, et une turbine haute et basse pression THP/TBP.
Cette turbine comprend un dispositif de pilotage des jeux de sommet d’aube (généralement désignés par les acronymes « HPTACC » et « LPTACC » pour « High Pressure Turbine Active Clearance Control » et « Low Pressure Turbine Active Clearance Control », et/ou un circuit dit « LPT Cooling » (pour « Low Pressure Turbine Cooling »), par lequel on prélève de l’air au niveau du compresseur haute pression pour le réinjecter entre les rotors de la turbine haute et basse pression, afin de refroidir ceux-ci.
La situation décrite ci-dessus, en relation avec un circuit « HPTACC » est plus précisément décrite en relation avec les figures 2 et 3 annexées (des situations similaires sont rencontrées pour les circuits « LPTACC » et « LPT Cooling » et ne seront pas décrites plus en détail).
Ainsi, à la , on a représenté schématiquement un turboréacteur 10 du type à double flux et double corps.
Ce turboréacteur 10 d'axe longitudinal X-X comprend notamment une soufflante 12 qui délivre un flux d'air dans une veine d'écoulement de flux primaire 14 et dans une veine d'écoulement de flux secondaire 16, qui est coaxiale à la veine de flux primaire. D'amont en aval dans le sens d'écoulement du flux de gaz qui la traverse, la veine d'écoulement 14 comprend un compresseur basse pression 18, un compresseur haute pression 20, une chambre de combustion 22, une turbine haute pression 24 et une turbine basse pression 26.
Les extrémités en forme de « pointes » de la double flèche HPTACC de cette identifient respectivement les régions dans lesquelles l’air est prélevé au niveau du compresseur haute pression 20 pour le réinjecter entre les rotors de la turbine haute et basse pression 24/26.
Plus précisément et comme visible à la , la turbine haute pression 24 du turboréacteur comprend un rotor formé d'un disque 28 sur lequel est monté un ensemble d'aubes 30 mobiles disposées dans la veine d'écoulement du flux primaire 14.
Le rotor est entouré par un carter de turbine 32 comprenant un anneau de turbine 34 qui est porté par un carter externe de turbine 36, par l'intermédiaire d'un support de fixation 37.
L'anneau de turbine 34 est avantageusement formé d'une pluralité de secteurs ou segments adjacents.
Du côté interne, il est muni d'une couche 34a de matériau abradable et entoure les aubes 30 du rotor en ménageant avec les sommets 30a de celles-ci un jeu 38.
Un boîtier de pilotage 40 est disposé autour du carter externe de turbine 36. Ce boîtier reçoit de l'air frais au moyen d'un conduit d'air 42 s'ouvrant à son extrémité amont dans la veine d'écoulement du flux primaire au niveau de l'un des étages du compresseur haute pression 20 (visible à la ).
L'air frais circulant dans le conduit d'air 42 est déchargé sur le carter externe de turbine 36 (par exemple à l'aide d’un ensemble de perforations dans les parois du boîtier de pilotage 40), provoquant un refroidissement de celui-ci et donc une diminution de son diamètre interne. Il s’opère par conséquent une contraction thermique de ce dernier et, consécutivement, une diminution du jeu 38.
Dans un circuit « LPT cooling », de l’air est prélevé au niveau du compresseur haute pression et est ensuite envoyé dans les cavités de rotors de la turbine haute et basse pression. Plus l’air sera froid, plus les disques de rotors seront refroidis.
En parallèle à cette situation et lorsque l’on se propose d’utiliser de l’hydrogène en lieu et place du kérozène, il est nécessaire de le transporter en quantité suffisante. Ainsi, l’hydrogène doit être stocké sous forme liquide dans un réservoir de manière à le maintenir à l’état liquide (« H2L »), c'est-à-dire à 20K. Il devient gazeux à partir de 200K.
Mais il est bien entendu nécessaire de réchauffer le H2L entre le réservoir et les injecteurs de la chambre à combustion, par exemple au moyen d’un dispositif du type échangeur thermique.
Pour ce faire, on pourrait envisager de réchauffer de manière active, c'est-à-dire en prélevant de l’énergie sur le moteur de l’aéronef ou sur un groupe auxiliaire de puissance. Toutefois, cette solution n’est pas satisfaisante, car elle consomme du carburant et réduit les performances générales de l’aéronef.
Dans ces conditions, il subsiste un besoin non résolu permettant de réchauffer le H2L entre le réservoir et les injecteurs de la chambre de combustion de manière passive, c'est-à-dire sans avoir recours à une source d’énergie de l’aéronef, tout en prenant en compte l'extrême inflammabilité de l'hydrogène, notamment dans l'air.
La présente invention a pour but de proposer une solution permettant de satisfaire ce besoin de manière simple.
A cet effet, l'invention se rapporte principalement à une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, d’axe longitudinal et comprenant d’une part longitudinalement, d’amont en aval dans le sens d'écoulement du flux de gaz qui la traverse le long de l’axe longitudinal, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression, et, d’autre part, au moins un premier conduit d’amenée d’hydrogène gazeux aux injecteurs de ladite chambre de combustion, ainsi qu’au moins un deuxième conduit de circulation et de distribution d’air qui s’étend entre une première région dudit compresseur haute pression et une deuxième région de l’une et/ou l’autre desdites turbines haute et basse pression, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un circuit fermé tubulaire qui contient un fluide caloporteur, au moins un premier tronçon dudit circuit fermé tubulaire s'étendant à l'intérieur dudit premier conduit d’amenée d’hydrogène, et au moins un deuxième tronçon dudit circuit fermé tubulaire s'étendant à l'intérieur dudit deuxième conduit de circulation et de distribution d’air.
Grâce à ces caractéristiques, on parvient simplement et efficacement à opérer un échange thermique entre l’hydrogène et l’air, de sorte que l’air qui débouche du circuit « HPTACC » (ou, selon le cas, « LPTACC » ou « LPT Cooling ») est particulièrement refroidi, et ce de manière passive. En parallèle, on opère un "réchauffage" relatif de l'hydrogène et l'échange thermique se fait en supprimant tout contact possible entre l'air et l'hydrogène, ainsi les risques évoqués plus haut.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de cette turbomachine, prises seules ou selon une combinaison quelconque, techniquement compatible, d’au moins deux d’entre elles :
- ladite turbine haute pression comprend un carter de turbine haute pression qui l’entoure, et ledit deuxième conduit de circulation et de distribution d’air débouche en regard d’une face externe dudit carter de turbine haute pression ;
- lesdites turbines haute et basse pression comprennent chacune un rotor et un carter qui s’étend autour du rotor, et ledit deuxième conduit de circulation et de distribution d’air débouche dans au moins une cavité de refroidissement formée dans le rotor de la turbine haute pression et/ou dans le rotor de turbine basse pression.
- ledit fluide caloporteur est un gaz, notamment un gaz neutre ;
- au moins un desdits premier et deuxième tronçons dudit circuit fermé tubulaire est pourvu à sa périphérie de moyens d'échanges thermiques configurés pour augmenter sa surface d’échange thermique avec ledit premier et/ou ledit deuxième conduit ;
- lesdits moyens d'échanges thermiques comprennent des ailettes qui s’étendent radialement autour dudit tronçon, selon la direction longitudinale de celui-ci ;
- lesdites ailettes sont équidistantes angulairement ;
- lesdites ailettes sont agencées au plus tous les 20°et de préférence au plus tous les 10° autour dudit tronçon ;
- les zones de jonction entre lesdits tronçons et lesdits premier et deuxième conduits sont pourvues de moyens d’étanchéité ;
- lesdits tronçons s’étendent sur au moins 20 centimètres, de préférence sur 20 à 30 cm ;
- elle est configurée de sorte que, dans lesdits premier et deuxième conduits, l’hydrogène et l’air circulent à contre-courant.
L'invention concerne également un aéronef pourvu d’une turbomachine selon l’une des caractéristiques détaillées ci-dessus.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible.
Sur ces dessins :
Sur les figures 4 et 5 annexées, on s’est dispensé de représenter à nouveau une architecture de turbomachine telle que celle des figures 2 et 3, architecture à laquelle s’appliquent les caractéristiques distinctives selon l’invention.
Dans ces conditions, ne figurent sur les figures que les éléments qui contribuent réellement à l’objectif que se fixe la présente invention.
Ainsi, en référence à la est visible un premier conduit 3 d’amenée d’hydrogène jusqu’aux injecteurs de la chambre de combustion de la turbomachine. Le sens de circulation de l’hydrogène dans ce conduit 3 est symbolisé par les flèches H2.
Pour des raisons de simplification, seule une partie de ce conduit 3 a été représentée, à savoir la partie utile au sens de l’invention.
Ainsi, bien que cela ne soit pas représenté ici, la partie du conduit 3 située à droite de la figure est reliée à un réservoir de stockage d’hydrogène liquide, tandis que celle située à gauche est reliée aux injecteurs de la chambre de combustion. Comme on l'expliquera plus loin, entre les deux extrémités du conduit, l'hydrogène aura subi une hausse de température, de la température initiale T1à la température finale T2.
Avant de s'écouler dans le conduit 3, l'hydrogène a bien entendu subi un préchauffage à l'aide de moyens connus de l'homme du métier, afin de lui faire quitter l'état liquide.
Est également visible sur cette un deuxième conduit 4 de circulation et de distribution d’air.
Le sens de circulation de l’air dans ce conduit 4 est représenté par la flèche A, à savoir qu'il opère dans le sens contraire de celui de l'hydrogène. Toutefois, dans un mode de réalisation possible mais non représenté, les sens de circulation de l’hydrogène et de l’air pourraient être identiques.
Le conduit 4 n’est aussi représenté que partiellement, sous la forme d’une portion rectiligne 40 dont les extrémités amont et aval sont référencées 41 et 42. Il fait partie par exemple d’un circuit « HPTACC », de sorte qu’il s’étend entre une première région du compresseur haute pression de la turbomachine (située à gauche de la ) et une deuxième région en regard de la face externe du carter de la turbine haute pression de la turbomachine (située sur la droite de la ).
Cependant, dans des configurations non représentées ici, le conduit 4 peut faire partie d’un circuit « LPTACC » ou « LPT Cooling ».
Conformément à l’invention, l'architecture ci-dessus intègre également un circuit fermé tubulaire 5 qui contient un fluide caloporteur, dont au moins un premier tronçon 50 s'étend à l'intérieur du premier conduit 3 d’amenée d’hydrogène et au moins un deuxième tronçon 50 s'étend à l'intérieur du deuxième conduit 4 de circulation et de distribution d’air.
Plus précisément, dans le mode de réalisation représenté ici à titre d'exemple, le circuit 5, vu de face, s'inscrit dans un quadrilatère régulier (en l'occurrence un rectangle) dont les tronçons 50 précités sont parallèles.
Les deux autres côtés du quadrilatère sont formés par des tronçons 51 et des pièces d'angle coudées à 90° qui assurent la jonction des tronçons 50 et 51 deux à deux.
Bien entendu, cette disposition est simplement illustrative et l'homme du métier saura l'adapter à la configuration de la turbine à équiper. Ainsi, les tronçons 50 ne sont pas forcément parallèles, et les tronçons 51 ne sont pas forcément rectilignes.
En même temps que l'hydrogène se réchauffe en traversant le conduit 3, l'air qui traverse le conduit 4 se refroidit grâce au fluide présent dans le circuit 5. Sa température initiale T3s'abaisse pour atteindre T4en sortie de conduit.
Le circuit fermé tubulaire 5 renferme un fluide caloporteur tel qu'un gaz, avantageusement neutre, c'est-à-dire inerte vis-à-vis de l'hydrogène afin d'éviter tout risque de réaction entre eux, par exemple de type chimique, consécutive à une fuite.
A titre d'exemple, on peut citer l’hélium (He), qui présente une bonne conductivité, ne génère pas de corrosion, et est inerte à très hautes températures. Un autre exemple bon marché est le CO2dès lors que la température du gaz lors des échanges ne dépasse pas 500°C.
Chaque tronçon 50 s’étend avantageusement sur au moins 20 centimètres et préférentiellement sur 20 à 30 centimètres.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, les tronçons 50 du circuit 5, c'est-à-dire ceux qui sont à l'intérieur des conduits 3 et 4, sont pourvus à leur périphérie de moyens agencés pour augmenter leur surface d’échange thermique avec les conduits précités.
Il s’agit préférentiellement d’ailettes 53 qui s’étendent radialement autour de chaque tronçon 50, selon la direction longitudinale de celui-ci.
Pour un échange thermique satisfaisant, la surface totale d’échange avec les ailettes 53 sera avantageusement au moins trois fois supérieure à la surface externe lisse (sans ailettes) du tronçon 50.
Préférentiellement et comme montré sur les figures, ces ailettes 53 sont équidistantes angulairement. Avantageusement, elles sont agencées au plus tous les 20°, de préférence au plus tous les 10°et encore plus préférentiellement tous les 5°.
Ainsi, il s’opère un échange thermique efficace entre l'hydrogène qui s'écoule dans le conduit 3 et le fluide caloporteur présent dans le circuit 5 d'une part et entre ce fluide caloporteur et l'air qui circule dans le conduit 4.
Pour améliorer encore cet échange, on pourra veiller à ce que les dimensions des ailettes soient telles qu’elles s’approchent au plus près de la paroi interne des conduits 3 et 4.
Tout autre élément de forme ou de taille différente permettant d’augmenter la surface d’échange peut être intégré dans le dispositif.
Les régions des conduits 3 et 4 en contact avec le circuit 5 peuvent intégrer un isolant thermique afin de diminuer les gradients et donc les contraintes mécaniques dans ces zones. Cela permet également de minimiser le risque de fuite dans ces zones.
En lieu et place d’un isolant, on peut envisager une collerette annulaire autour des tronçons 51, venant en appui contre les parties correspondantes des conduits 3 et 4.
Lors de la circulation d’air dans le conduit 4 et d’hydrogène dans le conduit 3, il s’opère, via le circuit 5, un échange thermique qui réchauffe l’hydrogène et qui permet, par la suite, de l’injecter dans la chambre de combustion. Et cet échange est d’autant plus efficace si l’air et l’hydrogène circulent à contre-sens.
De plus, cela permet de refroidir l’air circulant dans le conduit 4 qui est prélevé au niveau du compresseur pour le circuit « HPTACC » ou « LPTACC » ou « LPT cooling », et d’améliorer grandement la réduction du jeu en sommet d’aube ou le refroidissement des disques des turbines.
Enfin, un tel système est non-intrusif du point de vue de la veine primaire et n’occasionne pas d’encombrement supplémentaire concernant la veine secondaire.
Claims (11)
- Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, d’axe longitudinal (X-X) et comprenant d’une part longitudinalement, d’amont en aval dans le sens d'écoulement du flux de gaz qui la traverse le long de l’axe longitudinal (X-X), une soufflante (12), un compresseur basse pression (18), un compresseur haute pression (20), une chambre de combustion (22), une turbine haute pression (24) et une turbine basse pression (26), et, d’autre part, au moins un premier conduit (3) d’amenée d’hydrogène gazeux aux injecteurs de ladite chambre de combustion (22), ainsi qu’au moins un deuxième conduit (4) de circulation et de distribution d’air qui s’étend entre une première région dudit compresseur haute pression (20) et une deuxième région de l’une et/ou l’autre desdites turbines haute et basse pression (24,26), caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un circuit fermé tubulaire (5) qui contient un fluide caloporteur, au moins un premier tronçon (50) dudit circuit fermé tubulaire (5) s'étendant à l'intérieur dudit premier conduit (3) d’amenée d’hydrogène, et au moins un deuxième tronçon (50) dudit circuit fermé tubulaire (5) s'étendant à l'intérieur dudit deuxième conduit (4) de circulation et de distribution d’air.
- Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite turbine haute pression (24) comprend un carter de turbine haute pression qui l’entoure, et que ledit deuxième conduit (4) de circulation et de distribution d’air débouche en regard d’une face externe dudit carter (32) de turbine haute pression.
- Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdites turbines haute et basse pression (24,26) comprennent chacune un rotor et un carter qui s’étend autour du rotor, et que ledit deuxième conduit (4) de circulation et de distribution d’air débouche dans au moins une cavité de refroidissement formée dans le rotor de la turbine haute pression (24) et/ou dans le rotor de turbine basse pression (26).
- Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que ledit fluide caloporteur est un gaz, notamment un gaz neutre.
- Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'au moins un desdits premier et deuxième tronçons (50) dudit circuit fermé tubulaire (5) est pourvu à sa périphérie de moyens d’échanges thermiques (53) configurés pour augmenter sa surface d’échange thermique avec ledit premier et/ou ledit deuxième conduit (3,4).
- Turbomachine selon la revendication 5, caractérisée par le fait que lesdits moyens d’échanges thermiques (53) comprennent des ailettes qui s’étendent radialement autour dudit tronçon (50), selon la direction longitudinale de celui-ci.
- Turbomachine selon la revendication 6, caractérisée par le fait que lesdites ailettes sont équidistantes angulairement.
- Turbomachine selon la revendication 7, caractérisée par le fait que lesdites ailettes sont agencées au plus tous les 20°et de préférence au plus tous les 10° autour dudit tronçon (50).
- Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les zones de jonction entre lesdits tronçons (50) et lesdits premier et deuxième conduits (3,4) sont pourvues de moyens d’étanchéité.
- Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que lesdits tronçons (50) s’étendent sur au moins 20 centimètres, de préférence sur 20 à 30 cm.
- Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle est configurée de sorte que, dans lesdits premier (3) et deuxième conduits (4), l’hydrogène et l’air circulent à contre-courant.
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2022
- 2022-02-24 FR FR2201650A patent/FR3132932A1/fr active Pending
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