FR3136054A1 - Echangeur de chaleur en contre-courant pour turbomachine, turbomachine et procédé de fabrication de l’échangeur - Google Patents

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Ephraïm TOUBIANA
Loïs Pierre Denis VIVE
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Safran Helicopter Engines SAS
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Abstract

Echangeur de chaleur (1) pour turbomachine comprenant : une paroi interne d’échange thermique (21) entre un premier circuit et un deuxième circuit, le premier circuit étant configuré pour recevoir un premier flux de fluide et le deuxième circuit étant configuré pour recevoir un deuxième flux de fluide ; une paroi externe (22) entourant le premier circuit et le deuxième circuit ; au moins une partie sécable de jonction (30), la partie sécable de jonction (30) comprenant : une première partie (31) reliée à la paroi interne d’échange thermique (21) et une deuxième partie (32) reliée à la paroi externe (22), et la résistance mécanique à la rupture entre la première partie (31) et la deuxième partie (32) étant inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la première partie (31) et la paroi interne d’échange thermique (21) et entre la deuxième partie (32) et la paroi externe (22). Figure pour l’abrégé : Fig. 7.

Description

Echangeur de chaleur en contre-courant pour turbomachine, turbomachine et procédé de fabrication de l’échangeur
Le présent exposé concerne des échangeurs de chaleur pour une turbomachine, en particulier un échangeur de chaleur en contre-courant.
On connait un échangeur de chaleur en contre-courant pour une turbomachine, permettant de réchauffer le gaz utilisé pour générer une puissance mécanique sur l’arbre moteur, en amont de son passage par la chambre de combustion, grâce à de l’énergie thermique extraite du gaz de combustion sortant de la chambre de combustion. On connait également un échangeur permettant d’alimenter le système de contrôle environnemental de la cabine d’un aéronef, ou bien permettant de maintenir différents systèmes de l’aéronef dans leur plage de fonctionnement en température, par exemple pour assurer le respect de valeurs de tolérances mécaniques.
Lors de la fabrication de l’échangeur de chaleur en une seule pièce, typiquement par fabrication additive, l’absence de continuité de matière entre une paroi externe et une paroi interne peut entraîner des déformations qui résultent en l’apparition de fissures au sein de l’échangeur, ou encore un non respect de tolérances de fabrications. Ces défauts de fabrication peuvent entraîner un mauvais écoulement de fluide dans l’échangeur voire une fuite de fluide, entraînant une mauvaise efficacité thermique de l’échangeur. Ces problématiques associées à la fabrication de l’échangeur sont d’autant plus présentes dans le cas d’une fabrication par des méthodes additives.
Toutefois, prévoir une continuité de matière la paroi externe et la paroi interne peut entraîner une transmission de contraintes entre des pièces soumises à des contraintes thermomécaniques extrêmes en fonctionnement de l’échangeur, pouvant ainsi engendrer une rupture au sein de l’échangeur.
Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.
A cet effet, le présent exposé concerne un échangeur de chaleur pour turbomachine comprenant :
une paroi interne d’échange thermique entre un premier circuit et un deuxième circuit, le premier circuit étant configuré pour recevoir un premier flux de fluide et le deuxième circuit étant configuré pour recevoir un deuxième flux de fluide ;
une paroi externe entourant le premier circuit et le deuxième circuit ;
au moins une partie sécable de jonction, la partie sécable de jonction comprenant :
une première partie reliée à la paroi interne d’échange thermique et une deuxième partie reliée à la paroi externe, et
la résistance mécanique à la rupture entre la première partie et la deuxième partie étant inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la première partie et la paroi interne d’échange thermique et la résistance mécanique à la rupture entre la première partie et la deuxième partie étant inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la deuxième partie et la paroi externe.
On entend par fluide tout type de liquide ou de gaz, notamment tout type de liquide ou de gaz de turbomachine. Par exemple, le fluide peut désigner un gaz de combustion, de l’air, une huile de librification, etc.
On entend par paroi une structure matérielle ayant un volume, et non une face ou surface de volume nul.
On entend par paroi interne une paroi qui délimite le premier flux de fluide et le deuxième flux de fluide au sein de l’échangeur de chaleur.
On entend par paroi externe une paroi qui délimite un volume intérieur de l’échangeur de chaleur d’un volume situé à l’extérieur de l’échangeur de chaleur. Une paroi interne d’échange thermique est donc une paroi de l’échangeur de chaleur qui n’est pas une paroi externe.
De façon générale, on entend par « interne » un élément interne à l’échangeur de chaleur, et on entend par « externe » un élément externe à l’échangeur de chaleur.
On entend par rupture entre deux pièces une rupture complète ou une rupture partielle de la liaison entre les deux pièces. On entend par rupture entre deux parties d’une pièce une rupture complète ou une rupture partielle entre lesdites deux parties. On entend par résistance mécanique à la rupture, la résistance mécanique à la rupture en réponse à effort simple ou composé, répété ou non, notamment en traction, en compression, en cisaillement, et/ou en flexion, ou tout autre mode de chargement connu de l’homme du métier.
Autrement dit, la résistance mécanique à la rupture entre la première partie et la deuxième partie est inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la première partie et la paroi interne d’échange thermique, et la résistance mécanique à la rupture entre la première partie et la deuxième partie est inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la deuxième partie et la paroi externe si, suite à l’application d’un effort sur l’ensemble formé de la paroi interne d'échange thermique, de la paroi externe et de la partie sécable de jonction et entraînant la rupture au sein dudit ensemble, la rupture est localisée dans la première partie et/ou la deuxième partie de la partie sécable de jonction.
La partie sécable de jonction permet de supporter la paroi interne d'échange thermique et la paroi externe. Ainsi, avant rupture, la partie sécable de jonction permet de supporter la paroi interne d’échange thermique et la paroi externe. Cela permet de réduire les déformations des parois en cours de fabrication, améliorant ainsi le respect des tolérances de fabrication et donc la fabricabilité de l’échangeur.
. En cas de contrainte mécanique ou thermomécanique entraînant la rupture, la rupture est localisée et/ou circonscrite à la partie sécable de jonction. La rupture circonscrite à la partie sécable de jonction permet ainsi de prévenir un endommagement de la paroi interne d'échange thermique et de la paroi externe de l’échangeur de chaleur, et réduire ainsi les risques de perte d’étanchéité entre le premier flux de fluide et le deuxième flux de fluide, ou de l’un parmi le premier flux de fluide et le deuxième flux de fluide vers l’extérieur de l’échangeur de chaleur.
Un tel échangeur de chaleur présente en outre l’avantage d’être particulièrement adapté pour une fabrication par un procédé de fabrication impliquant des méthodes de fabrication additives, permettant ainsi une fabrication facilitée de l’échangeur de chaleur.
Dans certains modes de réalisation, l’échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur en contre-courant.
Dans certains modes de réalisation, l’échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur à plaques et/ou à ailettes.
Dans certains modes de réalisation, les plaques et/ou les ailettes font saillie depuis la paroi interne d'échange thermique.
Dans certains modes de réalisation, la partie sécable de jonction a une section transverse minimale comprise entre 10 % et 70 % de la section transverse maximale de la partie sécable de jonction, de préférence entre 20 % et 50 %.
Sauf mention contraire, les dimensions indiquées ci-après correspondent aux dimensions mesurées dans l’échangeur de chaleur à température ambiante en l’absence de circulation des fluides de turbomachine dans l’échangeur.
La section transverse de la partie sécable de jonction est mesurée dans un plan transverse, c’est-à-dire un plan normal à la direction d’espacement. La direction d’espacement est la direction selon laquelle la partie sécable de jonction s’étend entre la paroi interne d'échange thermique et la paroi externe.
Le terme « direction » désigne une droite non orientée. Le terme « sens » désigne une orientation sur une droite.
Par direction transverse est compris une direction perpendiculaire à la direction d’espacement.
De telles dimensions de la partie sécable de jonction permettent d’assurer une concentration de contraintes au niveau du rétrécissement associé à la section transverse minimale, et ainsi d’assurer la localisation de la rupture dans la partie sécable de jonction, en particulier au niveau du rétrécissement.
Dans certains modes de réalisation, la partie sécable de jonction a une section transverse minimale comprise entre 0,01 mm² et 5 mm², de préférence comprise entre 0,05 mm² et 0,1 mm².
Une telle valeur de section transverse minimale permet de réduire une influence aérodynamique de la partie sécable de jonction sur un écoulement de fluide entre la paroi interne d'échange thermique et la paroi externe.
Dans certains modes de réalisation, une longueur minimale de la partie sécable de jonction selon une direction d’écoulement de fluide est comprise entre 0,1 mm et 5 mm, de préférence entre 0,3 mm et 3 mm.
Dans le cas d’un échangeur en contre-courant, la direction d’écoulement de fluide est commune au premier flux de fluide et au deuxième flux de fluide. Dans un échangeur en contre-courant, le premier flux de fluide et le deuxième flux de fluide s’écoulent dans des sens différents.
Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur de la partie sécable de jonction est comprise entre 0,05 mm et 4 mm, de préférence entre 0,1 mm et 2 mm.
L’épaisseur de la partie sécable de jonction est mesurée selon la direction d’espacement. L’épaisseur de la partie sécable de jonction correspond à la distance entre la paroi interne de jonction et la paroi externe.
Une telle distance entre la paroi interne d’échange thermique et la paroi externe est suffisamment faible pour permettre de limiter le flux de fluide circulant en périphérie de l’échangeur de chaleur, c’est-à-dire le flux de fluide contournant la paroi interne d’échange thermique, et ainsi assurer que la plus grande partie du flux de fluide peut contribuer à un échange thermique avec l’autre flux de fluide parmi le premier flux de fluide et le deuxième flux de fluide au moyen de la paroi interne d’échange thermique. Ainsi, la réduction de l’efficacité thermique de l’échangeur de chaleur peut être limitée.
Une telle distance entre la paroi interne d’échange thermique et la paroi externe est suffisamment élevée pour empêcher un contact entre la paroi interne d’échange thermique et la paroi externe, ce qui formerait un pont thermique vers l’extérieur de l’échangeur de chaleur et réduirait l’efficacité thermique de l’échangeur de chaleur.
Dans certains modes de réalisation, l’échangeur de chaleur comprend une pluralité de parties sécables de jonction sensiblement alignées selon une direction d’écoulement de fluide au sein de l’échangeur de chaleur.
Cet alignement permet d’assurer le support de la paroi interne d'échange thermique et de la paroi externe par la partie sécable de jonction le long de l’échangeur de chaleur.
L’alignement permet en outre de réduire la perturbation de l’écoulement de fluide et ainsi de prévenir une réduction de l’efficacité thermique de l’échangeur de chaleur.
Dans certains modes de réalisation, le ratio de la longueur selon la direction d’écoulement de fluide d’une partie sécable de jonction par la distance entre deux parties sécables de jonction consécutives alignées selon la direction d’écoulement de fluide est compris entre 20 % et 80%, de préférence entre 35 % et 75 %.
Un tel ratio permet d’assurer le soutien de la paroi interne d’échange et de la paroi externe par la partie sécable d’échange le long de la direction d’écoulement de fluide.
L’invention concerne également une turbomachine comprenant un échangeur de chaleur selon la présente invention.
Dans certains modes de réalisation, le premier circuit est relié à un compresseur et le deuxième circuit est relié à une turbine.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur comprenant au moins une étape de fabrication additive, de préférence une étape de fabrication additive sur lit de poudre.
La partie sécable de jonction permet de réduire les déformations associées à la fabrication par méthode additive, par exemple en soutenant la paroi interne d'échange thermique et la paroi externe en cours de fabrication, ou encore en réduisant des déformations associées à des variation thermiques pendant la fabrication et/ou en fonctionnement de l’échangeur.
La partie sécable de jonction permet ainsi de maintenir une distance maximale entre la paroi interne d'échange thermique et la paroi externe. Cela permet de réduire le flux de fluide contournant les parois internes d’échange thermique en passant par l’espace formé entre la paroi interne d’échange thermique et la paroi externe, prévenant ainsi une réduction de l’efficacité thermique de l’échangeur de chaleur.
La partie sécable de jonction peut, de façon limitée, former un pont thermique entre la paroi interne d’échange thermique et l’extérieur de l’échangeur de chaleur. Du fait des propriétés de résistance mécanique de la partie sécable de jonction, la rupture au sein de la partie sécable de jonction entraîne la rupture du pont thermique associé. Ainsi, la partie sécable de jonction peut contribuer à consolider la structure de l’échangeur de chaleur au cours de sa fabrication par méthode additive, sans pour autant dégrader significativement l’efficacité thermique de l’échangeur de chaleur une fois la partie sécable de jonction rompue.
D'autres caractéristiques et avantages de l'objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées.
La est une vue en coupe d’une turbomachine comprenant un échangeur de chaleur en contre-courant.
La est une vue schématique en perspective d’un échangeur de chaleur en contre-courant.
La est une vue schématique en coupe selon le plan de coupe III-III de la .
La est une vue schématique d’une face de l’échangeur de chaleur.
La est une vue en perspective correspondant à un agrandissement de la loupe V de la .
La est une vue schématique en coupe selon le plan de coupe VI de la .
La est une vue en perspective d’une partie sécable de jonction selon un mode de réalisation.
La est une vue latérale d’une partie sécable de jonction selon le mode de réalisation.
La est une projection selon le plan IX d’une partie sécable de jonction selon le mode de réalisation.
La représente, en demi-coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A1-A1, une turbomachine 101 pourvue d’un échangeur de chaleur en contre-courant 1, ci-après désigné par « échangeur ».
La turbomachine 101 comprend, d’amont en aval selon la circulation du flux d’air, un conduit d’arrivée d’air 102 radial, un compresseur 103, une chambre de combustion 104, une turbine haute pression 105, et une turbine libre 106. Ces différents éléments sont installés à l’intérieur d’une nacelle (non représentée), de manière à obtenir un ensemble propulsif comprenant la nacelle et la turbomachine 101.
Le flux d’air entre radialement dans le conduit d’arrivée d’air 102, est comprimé par le compresseur 103 avant d’être injecté dans la chambre de combustion 104, où il est mélangé au combustible pour provoquer la combustion.
Les gaz issus de la chambre de combustion 104 entraînent en rotation une turbine haute pression 104, laquelle entraîne la rotation du compresseur 103, et une turbine libre 106.
Comme mentionné ci-dessus, la turbomachine 101 est une turbomachine pourvue d’un échangeur 1. Comme illustré très schématiquement sur la , un tel échangeur 1 est alimenté en un premier flux de fluide 10 au sein d’un premier circuit interne de l’échangeur 1. L’échangeur est alimenté en un deuxième flux de fluide 20, différent du premier flux de fluide 10, au sein d’un deuxième circuit interne de l’échangeur 1. Le premier circuit et le deuxième circuit ne communiquent pas entre eux, de sorte que le premier flux de fluide 10 et le deuxième flux de fluide 20 ne peuvent pas se mélanger, mais peuvent échanger de la chaleur par des parois internes d’échange 21 qui seront décrites relativement aux figures 3 à 5.
En particulier, dans le mode de réalisation de la , l’échangeur 1 est prévu en aval de la turbine libre 106, par exemple en aval d’une tuyère 107.
Sur les figures 1 à 5, les flèches sans remplissage indiquent schématiquement la direction générale de circulation du premier flux de fluide 10 dans l’échangeur 1 et les flèches avec remplissage plein indiquent schématiquement la direction générale de circulation du deuxième flux de fluide 20 dans l’échangeur 1.
L’échangeur 1 peut par exemple avoir une forme sensiblement cubique ou de parallélépipède rectangle, comme représenté sur la .
Dans le mode de réalisation des figures 2 à 9, l’échangeur 1 est représenté dans un repère orthonormé XYZ formé par la première direction X, la deuxième direction Y et la troisième direction Z.
La première direction X correspond la direction globale d’écoulement du premier flux de fluide 10 et du deuxième flux de fluide 20 au sein de l’échangeur 1.
L’échangeur 1 comprend des parois internes d’échange thermique 21 séparant le premier flux de fluide 10 et le deuxième flux de fluide 20, et des parois externes 22 entourant le premier flux de fluide 10 et le deuxième flux de fluide 20.
Les parois internes d’échanges thermique 21 permettent de faire obstacle au mélange du premier flux de fluide 10 et du deuxième flux de fluide 20 tout en autorisant un transfert thermique entre le premier flux de fluide 10 et le deuxième flux de fluide 20.
Les parois internes d’échange thermique 21 s’étendent sensiblement dans un plan formé par la première direction X et la troisième direction Z, permettant de ne pas perturber la direction globale de circulation du premier flux de fluide 10 et du deuxième flux de fluide 20 dans l’échangeur 1 selon la première direction X.
Les parois internes d’échange thermique 21 sont munies de plaques et/ou d’ailettes 24. Les plaques et aillettes 24 contribuent aux échanges thermiques entre le premier flux de fluide 10 et le deuxième flux de fluide 20. Les plaques et ailettes 24 permettent ainsi d’améliorer l’efficacité thermique de l’échangeur 1. Un échangeur 1 muni de plaques et/ou ailettes est dit échangeur à plaques et/ou ailettes.
Afin de ne pas surcharger le dessin, toutes les plaques et aillettes 24 n’ont pas été représentées sur la . On comprend en effet que les plaques et/ou ailettes 24 peuvent être arrangées sur tout ou partie des parois internes d’échange thermique 21, c’est-à-dire sur tout ou partie de la surface du côté du premier circuit et/ou sur tout ou partie de la surface du côté du deuxième circuit.
Une pluralité de parois internes d’échange thermique 21 est arrangée de façon à former des couches successives dans la deuxième direction Y.
Les parois externes 22 peuvent être disposées sur tout ou partie du contour extérieur de l’échangeur 1, à l’exception des entrées et des sorties du premier flux de fluide 10 et du deuxième flux de fluide 20.
La circulation de fluide au sein de l’échangeur 1 est ainsi limitée à la circulation du premier flux de fluide 10 et du deuxième flux de fluide 20 entre leurs entrées et leurs sorties respectives.
Les parois externes 22 permettent également de réduire les échanges thermiques entre d’une part un volume intérieur de l’échangeur 1 comprenant le premier flux de fluide 10 et le deuxième flux de fluide 20,et d’autre part un volume situé à l’extérieur de l’échangeur 1, de façon à favoriser les échanges thermiques entre le premier flux de fluide 10 et le deuxième flux de fluide 20.
Au moins une partie sécable de jonction 30 peut être arrangée entre une paroi interne d’échange thermique 21 et une paroi externe 22. En particulier, une partie sécable de jonction 30 peut être arrangée entre une paroi interne d’échange thermique 21 et une paroi externe 22 à une position pour laquelle la paroi interne d’échange thermique 21 et la paroi externe 22 sont en vis-à-vis l’une de l’autre, c’est-à-dire une position pour laquelle la distance entre la paroi interne d’échange thermique 21 et la paroi externe 22 est minimale.
La structure des parties sécables de jonction 30 sera décrite plus en détail relativement aux figures 7 à 9.
Comme représenté sur la , une pluralité de parties sécables de jonction 30 peuvent être arrangées selon la première direction X, notamment entre une même paroi interne d’échange thermique 21 et une même paroi externe 22.
Une pluralité de parties sécables de jonction 30 peuvent être arrangées selon la deuxième direction Y, entre une paroi externe 22 et des parois internes d’échange thermique 21 distinctes.
Des déformations peuvent avoir lieu lors de la fabrication additive de l’échangeur 1, entraînant la fabrication d’un échangeur 1 hors des tolérances de conception prévues, entraînant une dégradation des performances thermiques voire un endommagement de l’échangeur 1.
Par exemple, de telles déformations peuvent être causées par la mise en porte-à-faux de pièces durant la fabrication additive, notamment des parois internes d’échange thermique 21, rendant difficile la bonne maîtrise de la distance entre les parois internes d’échange thermique 21 et des parois externe 22.
De plus, le fonctionnement de l’échangeur 1 implique des températures de fluides différentes entre le premier flux de fluide 10 et le deuxième flux de fluide 20, associées à des contraintes thermomécaniques compliquant davantage la bonne maîtrise de l’espacement entre les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externe 22.
Un espacement trop faible entre les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22 entraînerait le risque d’un contact entre les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22, ce qui pourrait endommager les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22 et entraîner une fuite de fluide depuis l’un des circuits de fluide vers l’autre des circuit de fluide ou vers l’extérieur de l’échangeur 1, ou encore pourrait constituer un pont thermique vers l’extérieur de l’échangeur 1 et ainsi une perte d’efficacité thermique.
Un espacement trop élevé entre les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22 augmenterait la propension de l’un des flux de fluides (le deuxième flux de fluide 20, selon le mode de réalisation de la ) à contourner les parties centrales de l’échangeur 1, réduisant ainsi l’efficacité thermique de l’échangeur 1.
Les parties sécables de jonction 30 permettent ainsi maintenir les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22 à distance l’une de l’autre, et en particulier de réduire la variation de l’espacement entre les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22 afin de réduire les risques associés à un espacement trop élevé et/ou trop faible.
La est une vue en coupe selon le plan de coupe VI de la , représentant un alignement de trois parties sécables de jonction 30 entre une paroi interne d’échange thermique 21 et une paroi externe 22 selon la première direction X.
Les parties sécables de jonction 30 ont une longueur lmax selon la première direction X comprise entre 0,5 mm et 5 mm, de préférence entre 1 mm et 3 mm.
La distance d selon la première direction X entre deux parties sécables de jonction 30 est comprise entre 0,5 mm et 20 mm, de préférence entre 1 mm et 5 mm.
Le ratio de la longueur selon la première direction X d’une partie sécable de jonction 30 par la distance entre deux parties sécables de jonction 30 consécutives alignées selon la première direction X est compris entre 20 % et 80 %, de préférence entre 35 % et 75 %.
Ces dimensions contribuent au maintien de l’espacement entre les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22 tout en limitant la formation d’un pont thermique entre les parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22 par les parties sécables de jonction 30.
Les parties sécables de jonction 30 décrites seront les parties sécables de jonction 30 des figures 5 et 6, de sorte que la première direction X, la deuxième direction Y, la troisième direction Z et le repère orthonormé XYZ associé coïncident avec les directions du repère orthonormé XYZ des parties sécables de jonction 30. On comprend toutefois que le repère XYZ dans lequel les parties sécables de jonction 30 sont décrites peut être un repère propre aux parties sécables de jonction 30, par exemple lorsque les parties sécables de jonction 30 sont positionnées différemment entre la paroi interne d’échange thermique 21 et la paroi externe 22.
La partie sécable de jonction 30 comprend une première partie 31 reliée à la paroi interne d’échange thermique 21, et une deuxième partie reliée à la paroi externe 22.
La résistance mécanique à la rupture entre la première partie 31 et la deuxième partie 32 est inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la première partie 31 et la paroi interne d’échange thermique 21 et la résistance mécanique à la rupture entre la première partie 31 et la deuxième partie 32 est inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la deuxième partie 32 et la paroi externe 22.
Ainsi, en cas de contrainte mécanique ou thermomécanique entraînant la rupture transmis par la partie sécable de jonction 30, la rupture sera localisée dans la partie sécable de jonction 30, en particulier entre la première partie 31 et la deuxième partie 32.
La partie sécable de jonction 30 peut alors assurer sa fonction de soutien des parois internes d’échange thermique 21 et des parois externes 22, en diminuant les risques d’endommagement des parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22.
Les dimensions carcatéristiques de la partie sécable de jonction 30 seront décrites relativement aux vues de figures 6 à 9.
L’épaisseur h de la partie sécable de jonction 30 est comprise entre 0,05 mm et 4 mm, voire entre 0,1 mm et 4 mm, voire entre 0,1 mm et 2 mm, de préférence entre 0,4 mm et 2 mm.
L’épaisseur h est égale à la distance entre la paroi interne de jonction 21 et la paroi externe 22 reliées par la partie sécable de jonction 30.
Ces plages d’épaisseur h permettent au cours du fonctionnement de l’échangeur 1 d’empêcher un contact entre la paroi interne d’échange thermique 21 et la paroi externe 22 tout en limitant le contournement des parois internes d’échange thermique 21 par le deuxième flux de fluide 20.
La partie sécable de jonction 30 a une surface transverse minimale à une position éloignée de la paroi interne d’échange thermique 21 et de la paroi externe d’échange 22. Cela permet d’augmenter les chances que la rupture ne se propage pas aux parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22.
Dans le présent mode de réalisation, la section transverse de la partie sécable de jonction 30 est de forme rectangulaire.
On comprend toutefois que d’autres formes de sections transverse peuvent être prévues pour augmenter ou réduire la résistance à des contraintes thermomécaniques ou pour réduire les pertes de charges de l’écoulement de fluide autour de la partie sécable de jonction, notamment des formes ellipsoïdales, ovoïdes ou profilées.
La section transverse minimale de la partie sécable de jonction 30 est comprise entre 0,01 mm² et 5 mm², de préférence entre 0,05 mm² et 0,1 mm².
Dans le présent mode de réalisation, la section transverse minimale est mesurée dans un plan formé par la première direction X et la deuxième direction Y.
La section transverse minimale de la partie sécable de jonction 30 est comprise entre 10 % et 70 % de la section transverse maximale de la partie sécable de jonction 30, de préférence entre 20 % et 50 %.
La section transverse maximale est la section transverse maximale mesurée dans un plan parallèle au plan de la section transverse minimale.
Un tel rapport de section permet d’assurer un maintien correct des parois internes d’échange thermique 21 et les parois externes 22 lors de la fabrication de l’échangeur 1, et de concentrer une contrainte afin d’augmenter les chances que la rupture ait lieu dans la partie sécable de jonction 30.
Dans le présent mode de réalisation, la première partie 31 et la deuxième partie 32 sont symétriques. Cela permet d’augmenter davantage les chances que la rupture soit contenue au centre de la partie sécable de jonction 30 et en particulier ne se propage pas aux parois internes d’échange thermique 21 et aux parois externes 22.
La partie sécable de jonction 30 a une longueur minimale lmin selon la première direction X comprise entre 0,1 mm et 5 mm, voire entre 0,1 mm et 4 mm, voire entre 0,3 mm et 3 mm, de préférence entre 0,3 mm et 2,5 mm.
La partie sécable de jonction 30 a une hauteur minimale tmin selon la deuxième direction Y comprise entre 0,05 mm et 1,5 mm, de préférence comprise entre 0,1 mm et 0,3 mm.
Le rapport entre la longueur minimale lmin et la hauteur minimale tmin est supérieur à 3, de préférence supérieur à 5.
De cette façon, la perturbation de l’écoulement selon la première direction X par la partie sécable de jonction 30 est davantage réduite.
La partie sécable de jonction 30 a une hauteur maximale tmax selon la deuxième direction Y comprise entre 0,1 mm et 4 mm, de préférence comprise entre 0,2 mm et 1 mm.
Le rapport entre la longueur maximale lmax et la hauteur maximale tmax est supérieur à 2, de préférence supérieur à 5.
De telles dimensions selon la première direction X selon la deuxième direction Y permettent à la partie sécable de jonction 30 de s’étendre principalement selon la première direction X, ou direction d’écoulement de fluide, de façon à réduire les perturbations de l’écoulement de fluide selon la première direction X, qui pourraient affecter une partie de l’écoulement dudit fluide et réduire l’efficacité thermique de l’échangeur 1.
La section transverse maximale est la section transverse à la position à laquelle la longueur selon la première direction X est égale à la longueur maximale lmax et la hauteur selon la deuxième direction Y est égale à la hauteur maximale lmax.
De préférence, les parties sécables de la pluralité de parties sécables de jonction 30 sont régulièrement réparties selon la première direction X et la deuxième direction Y.
L’échangeur 1 présente une structure qui est particulièrement adaptée à une réalisation par procédé de fabrication additive. Un procédé de fabrication de l’échangeur 1 peut alors être mis en œuvre, entièrement ou partiellement, par fabrication additive, par exemple par un procédé de fusion laser sur lit de poudre.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (11)

  1. Echangeur de chaleur (1) pour turbomachine comprenant :
    une paroi interne d’échange thermique (21) entre un premier circuit et un deuxième circuit, le premier circuit étant configuré pour recevoir un premier flux de fluide et le deuxième circuit étant configuré pour recevoir un deuxième flux de fluide ;
    une paroi externe (22) entourant le premier circuit et le deuxième circuit ;
    au moins une partie sécable de jonction (30), la partie sécable de jonction (30) comprenant :
    une première partie (31) reliée à la paroi interne d’échange thermique (21) et une deuxième partie (32) reliée à la paroi externe (22), et
    la résistance mécanique à la rupture entre la première partie (31) et la deuxième partie (32) étant inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la première partie (31) et la paroi interne d’échange thermique (21) et la résistance mécanique à la rupture entre la première partie (31) et la deuxième partie (32) étant inférieure à la résistance mécanique à la rupture entre la deuxième partie (32) et la paroi externe (22).
  2. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, dans lequel l’échangeur de chaleur (1) est un échangeur de chaleur en contre-courant.
  3. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la partie sécable de jonction (30) a une section transverse minimale comprise entre 10 % et 70 % de la section transverse maximale de la partie sécable de jonction (30), de préférence entre 20 % et 50 %.
  4. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la partie sécable de jonction (30) a une section transverse minimale comprise entre 0,01 mm² et 5 mm².
  5. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel une longueur minimale de la partie sécable de jonction (30) selon une direction d’écoulement de fluide au sein de l’échangeur de chaleur (1) est comprise entre 0,1 mm et 5 mm, de préférence entre 0,3 mm et 3 mm.
  6. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’épaisseur de la partie sécable de jonction (30) est comprise entre 0,05 mm et 4 mm, de préférence entre 0,1 mm et 2 mm.
  7. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une pluralité de parties sécables de jonction (30) sensiblement alignées selon une direction d’écoulement de fluide au sein de l’échangeur de chaleur (1).
  8. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 7, dans lequel le ratio de la longueur selon la direction d’écoulement de fluide d’une partie sécable de jonction (30) par la distance entre deux parties sécables de jonction (30) consécutives alignées selon la direction d’écoulement de fluide est compris entre 20 % et 80 %, de préférence etre 35 % et 75 %.
  9. Turbomachine (101) comprenant un échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Turbomachine (101) selon la revendication 9, dans laquelle le premier circuit est relié à un compresseur (104) et le deuxième circuit est relié à une turbine (107).
  11. Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins une étape de fabrication additive sur lit de poudre.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20160377350A1 (en) * 2015-06-29 2016-12-29 Honeywell International Inc. Optimized plate fin heat exchanger for improved compliance to improve thermal life
US20210333055A1 (en) * 2020-04-28 2021-10-28 Hamilton Sundstrand Corporation Stress relieving additively manufactured heat exchanger fin design
WO2022074339A1 (fr) * 2020-10-08 2022-04-14 Safran Échangeur de chaleur en contre-courant pour turbomachine, turbomachine et procédé de fabrication de l'échangeur

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