WO2023111466A1 - Echangeur de chaleur a double etage et turbomachine equipee d'un tel echangeur de chaleur - Google Patents

Echangeur de chaleur a double etage et turbomachine equipee d'un tel echangeur de chaleur Download PDF

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WO2023111466A1
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heat exchanger
panel
wall
turbomachine
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PCT/FR2022/052375
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Quentin HOLKA
Ephraim Toubiana
Samer MAALOUF
Original Assignee
Safran
Association Pour La Recherche Et Le Developpement Des Methodes Et Processus Industriels - Armines
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Publication date
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Definitions

  • TITLE DOUBLE-STAGE HEAT EXCHANGER AND TURBOMACHINE EQUIPPED WITH SUCH HEAT EXCHANGER
  • the present invention relates to the general field of aeronautics. It relates in particular to a heat exchanger for a turbomachine.
  • Prior art includes US-A1-2019277576, FR-A1-3096409, FR-A1-2989109, US-A1-10907500, and FR-A1-3081735.
  • a turbomachine in particular an aircraft, comprises various components and/or equipment that must be lubricated and/or cooled, such as rolling bearings and gears.
  • the heat released by these components which can be very high depending on the power of the component and/or equipment, is transported by a fluid and evacuated to cold sources available in the aircraft.
  • FCOC heat exchangers have a dual function of heating the fuel before combustion in the combustion chamber of the turbomachine and cooling the oil heated by the heat dissipations of the turbomachine.
  • the FCOC heat exchangers are not sufficient to absorb all the thermal dissipations because the fuel temperature is limited in view of the safety constraints.
  • ACOC heat exchangers in particular those of the surface type and known by the acronym SACOC.
  • Surface heat exchangers are generally arranged in the secondary vein of the turbomachine and use the secondary air flow to cool the oil circulating in the turbomachine. These heat exchangers are in the form of a metal surface part allowing the passage of oil in channels. The secondary air flow is guided along fins carried by this surface part and whose role is to increase the contact surface with the secondary air flow and to extract the calories.
  • SACOC heat exchangers have the drawback of creating additional pressure drops in the secondary stream concerned since they disturb the air flow, which impacts the performance of the turbomachine as well as the specific fuel consumption.
  • the objective of the present invention is to provide a heat exchanger making it possible to optimize its thermal performance while reducing the mechanical energy losses and avoiding impacting the mass considerably.
  • thermoelectric heat exchanger for a turbomachine, in particular an aircraft, the heat exchanger comprising:
  • the heat exchanger comprises a second plurality of fins intended to be swept by a second flow of air and in that the panel extends between the first and second plurality of fins, and the plurality of fins each comprising a longitudinal free end at which the second air flow can be evacuated.
  • the heat exchanger allows the second flow of air circulating in the second fins to be free to evacuate, which allows a reduction in pressure drops at a place where the aerothermal performance of the fins is less due to the limited thermal conductivity of the material constituting them.
  • the heat exchanger makes it possible to channel and slow down only the first flow circulating in the first fins where their aerothermal performance is better. Indeed, the temperature of the fins decreases with height due to the limited thermal conductivity of the material used, and the upper part of the fins therefore contributes less to the evacuation of heat.
  • the heat exchanger also includes one or more of the following features, taken alone or in combination:
  • the panel has a thickness of between 0.2 mm and 1 mm.
  • the panel comprises an upstream edge provided with a first series of chevron-shaped tabs and a downstream edge provided with a second series of chevron-shaped tabs, each tab having a first face and a second face connected to a vertex , the first face or the second face of the first series of tongues presenting an angle of inclination with the longitudinal axis, and the first face or the second face of the second series of tabs having an angle of inclination with the longitudinal axis, the angles of inclination being between 10° and 90°.
  • the fins of the first plurality of fins and of the second plurality of fins are continuous and straight each in the longitudinal direction.
  • the fins of the first plurality of fins has a length greater than a length of the fins of the second plurality of fins.
  • each fin has a leading edge opposite a trailing edge in the longitudinal direction, the leading edges of each fin of the second plurality of fins are placed at a predetermined distance from an upstream edge of the panel.
  • each fin has a trapezoidal shape, each leading edge and each trailing edge of the fins of the first plurality of fins and of the second plurality of fins is inclined at an angle of inclination formed with the radially outer surface of the support wall, the angle of inclination of the leading edges of the fins being between 20° and 80°.
  • angles of inclination of the leading edges and trailing edges of the first plurality of fins are identical and in that the angle of inclination of the trailing edges of the second plurality of fins is greater than the angle of inclination at the leading edges of the second plurality of fins.
  • the panel is arranged at a predetermined height from the radially outer surface of the support wall, the predetermined height being given by the ratio 0.1 ⁇ — — ⁇ 0.9, h1 being the height of the fins of the first plurality of fins and being the height of the fins of the second plurality of fins.
  • the heat exchanger comprises a first profiled wall arranged upstream of the fins and configured so as to guide and slow down the first flow of air entering the heat exchanger through the fins and a second profiled wall arranged downstream of the fins and configured to accelerate the first airflow exiting the heat exchanger, each first and second airfoil being attached to the support wall via support members extending radially from the radially outer surface, the first wall being connected upstream to the panel and the second wall being connected downstream to the panel.
  • the first profiled wall comprises a first end forming with the support wall an air inlet having a first radial height and the second profiled wall comprises a first end forming with the support wall an air outlet having a second radial height , the ratio between the first height and the second height being between 0.5 and 1 .
  • the heat exchanger comprises one or more channels arranged in the thickness of the panel, the channel or channels being intended to be connected to a fluid circulation circuit in which circulates a fluid intended to cool and/or lubricate components and/or equipment of the turbomachine.
  • the heat exchanger is made by additive manufacturing.
  • the second plurality of fins each extending from a radially outer surface of the panel in a radial direction.
  • each fin has a leading edge opposite a trailing edge in the longitudinal direction.
  • the plurality of fins each comprises a longitudinal free end connected to the leading edge and to the trailing edge at which the second air flow can be evacuated.
  • the heat exchanger is of the air/oil surface type.
  • the invention also relates to a turbomachine module with a longitudinal axis X comprising an annular casing around the longitudinal axis in which an air flow circulates and a heat exchanger, having any one of the preceding characteristics, which is arranged in the annular housing.
  • the invention further relates to a turbomachine comprising at least one heat exchanger having any one of the preceding characteristics and/or a turbomachine module as mentioned above.
  • Figure 1 is an axial sectional view of an example of a turbomachine to which the invention applies;
  • Figure 2 is a perspective view of a heat exchanger intended to equip a turbomachine according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic view in axial section of an example of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 4 represents a top view of a panel fitted to a heat exchanger according to the invention
  • FIG. 5 schematically illustrates in axial section another embodiment of a heat exchanger according to the invention
  • Figure 6 is a schematic view and in axial section of another embodiment of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 1 shows an axial sectional view of a turbomachine 1 with longitudinal axis X to which the invention applies.
  • the turbine engine 1 represented is a dual-flow turbine engine 1 intended to be mounted on an aircraft.
  • the invention is not limited to this type of turbomachine.
  • a turbomachine generally consists of several modules which are manufactured independently of each other and which are then assembled to each other so as to facilitate its assembly, its dismantling and its maintenance.
  • the dual-flow turbomachine 1 generally comprises a gas generator or gas turbine engine 2 upstream of which is mounted a fan or fan module 3.
  • the gas generator 2 comprises a gas compressor assembly (here comprising a compressor low pressure 4a and a high pressure compressor 4b), a combustion chamber 5 and a turbine assembly (here comprising a high pressure turbine 6a and a low pressure turbine 6b).
  • the turbomachine comprises a low pressure shaft 7 which connects the low pressure compressor 4a and the low pressure turbine 6b to form a low pressure body and a high pressure shaft 8 which connects the high pressure compressor 4b and the high pressure turbine 6a to form a high pressure body.
  • the low pressure shaft 7, centered on the longitudinal axis, here drives a fan shaft 9.
  • a speed reducer 10 can be interposed, as here, between the fan shaft 9 and the low pressure shaft 7.
  • Guide bearings 11 in rotation also make it possible to guide the low pressure shaft 7, the high pressure shaft 8 and the fan shaft in rotation with respect to a fixed structure of the turbomachine.
  • the fan 3 is streamlined by a fan casing 12 carried by a nacelle 13.
  • the fan 3 generates, from a flow of air F entering the fan, a flow of primary air which circulates through the generator of gas 2 in a primary vein 14 and a flow of secondary air which circulates in a secondary stream 15 around the gas generator 2.
  • the secondary air flow is ejected by a secondary nozzle 16 terminating the nacelle 13 while the primary air flow is ejected outside of the turbomachine via an exhaust nozzle 17 located downstream of the gas generator 2.
  • the fan casing 12 and the nacelle 13 are considered as one and the same part.
  • the guide bearings 11 and the speed reducer 10 in this configuration example of the turbomachine 1 must be lubricated and/or cooled to ensure the performance of the turbomachine.
  • the power generated by these is dissipated in a fluid coming from a fluid supply source 60 installed in the turbomachine and which makes it possible to lubricate and/or cool various components and/or equipment of the turbomachine.
  • a fluid supply source 60 installed in the turbomachine and which makes it possible to lubricate and/or cool various components and/or equipment of the turbomachine.
  • other equipment in the turbomachine generates a lot of heat that needs to be extracted from its surroundings.
  • the turbomachine 1 comprises a heat exchange system 20 which makes it possible to cool the fluid intended to lubricate and/or cool these components and/or equipment.
  • the fluid is an oil and the cold source intended to cool the oil is the air flow circulating in the turbomachine, in particular the secondary air flow.
  • the heat exchange system 20 comprises a heat exchanger 21 which is arranged in the fan module as shown schematically in Figure 1.
  • the heat exchanger 21 is carried by the fan casing 13. More precisely still, the heat exchanger 21 is arranged in the secondary stream 15 so that the latter is crossed by the flow of secondary air. .
  • the heat exchanger 21 is of the air/oil surface type.
  • the heat exchanger 21 occupies a portion of the vein in which it is installed and in particular a portion along the radial axis.
  • the heat exchanger 21 comprises a support wall 22 which extends in a longitudinal direction L.
  • the support wall 22 is here substantially planar. This wall 22 may not be completely flat but curved to follow the profile of the wall of the fan casing 12 which is intended to carry the heat exchanger 21 and which is substantially cylindrical (with longitudinal axis X).
  • the heat exchanger 21 can be annular and occupy the entire wall of the fan casing 12. Alternatively, the heat exchanger 21 is arranged on a portion of the fan casing 12. The heat exchanger in this case extends over an angular sector less than 360° around the longitudinal axis X.
  • the heat exchanger 21 also comprises a first plurality of fins 23 which each rise here from an outer surface 24 of the support wall 22.
  • the fins 23 extend along a radial direction R which is perpendicular to the direction longitudinal L.
  • the radial direction is parallel to a radial axis which extends from the longitudinal axis L of the turbomachine 1 .
  • the longitudinal direction L is parallel to the longitudinal axis of the turbomachine in the installation situation.
  • each fin 23 is continuous and straight. These each extend along the longitudinal direction L (substantially parallel to the circulation or flow of the air flow in the turbomachine and in particular in the heat exchanger 21). More precisely still, each fin 23 is generally flat.
  • the fins 23 are arranged successively and regularly on the radially outer surface 24 along a transverse direction T which is perpendicular to the longitudinal direction L and to the radial direction R. They are still substantially parallel to each other.
  • the fins 23 can be discontinuous and placed in staggered rows on the outer surface 24 and in the radial direction or the longitudinal direction. In this case, there are several rows of fins in these two directions and arranged in a staggered manner. This arrangement makes it possible to increase the heat exchange coefficient and reduce the exchange surface.
  • each fin 23 of the first plurality of fins 23 has a leading edge 23a and a trailing edge 23b opposite in the direction of circulation of the air flow (or in the longitudinal direction L).
  • each fin 23 has a generally trapezoidal shape.
  • the leading edges 23a and the trailing edges 23b are inclined with respect to the outer surface 24 by forming an angle of inclination.
  • the angles of inclination o1 at the level of the leading edges 23a and the angles of inclination o1 at the level of the trailing edges 23b of the fins 23 are identical.
  • the angles of inclination a1, 01 can be different.
  • the angles of inclination o1, 01 are between 20° and 80°
  • the heat exchanger 21 comprises a profiled panel 25 covering the fins 23.
  • the panel 25 makes it possible to guide and control the flow of at least part of the air flow inside the exchanger. heat 21 .
  • the fins 23 are thus arranged radially between the support wall 22 and the profiled panel 25 .
  • the panel 25 covers the entire first longitudinal edge (opposite the outer surface 24) of the fins 23.
  • the profiled panel 25 extends in the longitudinal direction L.
  • the panel 25 also has a width (in the transverse direction). As shown in Figure 2, panel 25 is flat. However, the panel 25 is substantially cylindrical or curved (around the longitudinal axis X when installed in the turbomachine).
  • the changer exchanger 21 comprises a second plurality of fins 26 which each rise here from an outer surface 27 of the panel 25.
  • the fins 26 each extend along the longitudinal direction L.
  • the panel 25 is arranged radially between the first plurality of fins 23 and the second plurality of fins 26.
  • the second plurality of fins 26 is distinct (or independent) of the first plurality of fins 23.
  • the fins 26 of the second plurality of fins are substantially similar to the fins 23 of the first plurality of fins.
  • these fins 26 are here continuous, straight and flat. They are also trapezoidal in shape.
  • the fins 26 each have a leading edge 26a and a trailing edge 26b.
  • the leading edges 26a are inclined relative to the radially outer surface 27 forming an angle of inclination o2.
  • the trailing edges 26b are inclined relative to the radially outer surface 27 forming an angle of inclination ⁇ 2.
  • the angles of inclination ⁇ 2, ⁇ 2 are between 20° and 80°.
  • the angle of inclination 02 is greater than the angle of inclination o1.
  • the angles of inclination o2, 02 can be identical or else the angle of inclination o2 can be less than the angle of inclination o2 depending on the aerothermal performance desired.
  • the fins 26 each include a longitudinal free end 26c which is connected to the leading edge 26a and to the trailing edge 26b.
  • the free end 26c is radially opposite the radially outer surface 27 of the panel 25.
  • the second plurality of fins is not covered by another panel or wall.
  • a first air flow F1 circulates inside the fins 23, between the panel 25 and the support wall 22, and is evacuated at the trailing edges 23b.
  • a second flow of air F2 circulates through the fins 26 and is evacuated by the longitudinal free ends 26c and by the trailing edges 26. The flow of air entering the heat exchanger 21 is separated to form the first airflow F1 and the second airflow F2.
  • the fins 23 each have a height h1 from the radially outer surface 24.
  • the height h1 is measured between the radially outer surface 24 and a radially inner surface 28 of the profiled panel 25 .
  • the height h1 of the fins 23 is between 5 mm and 20 mm.
  • the fins 26 each have a height h2 from the radially outer surface 27 of the panel 25.
  • the height h2 is measured between the radially outer surface 27 and the free longitudinal end 26c (here horizontal).
  • the height h2 of the fins is between 5 mm and 20 mm.
  • the panel 25 has a thickness e of between 0.2 mm and 1 mm.
  • the thickness of the panel is to be adjusted according to the application and the manufacturing process, to achieve a compromise between the mass, the mechanical resistance, and the manufacturability of the heat exchanger.
  • the panel 25 is arranged at a predetermined height hp from the radially outer surface 24 of the support panel 22.
  • the predetermined height hp is determined by the ratio 0.1 ⁇ — — ⁇ 0.9. This ratio makes it possible to adjust the flow rate of the first flow of air F1 circulating on the one hand, in the fins 23 which are confined or covered by the panel 25 and on the other hand, the flow rate of the second flow of air F2 circulating in the fins 26.
  • the ratio is chosen to maximize the aerothermal performance of the heat exchanger 21 .
  • the total height HT of the heat exchanger 21 is determined by the following formula ⁇ . h1 + h2 + e.
  • the total height HT is between 5 mm and 40 mm.
  • the height HT of this heat exchanger 21 is identical or substantially identical (+/- 5 mm) to the heat exchanger of the prior art such as that described in FR-B1-3096444.
  • the difference lies in the fact that the panel 25 is lowered to a certain height where the maximum heat exchange is achieved through the covered fins 23 and the airflow F2 can be evacuated quickly by the free longitudinal ends 26c of the fins 26 to reduce pressure drops.
  • each fin 23 has a length L1 in the longitudinal direction.
  • the length L1 is measured between the leading edge 23a and the trailing edge 23b of each fin 23. More precisely still, the length L1 is measured at the level of the foot 23a1 of the leading edges 23a and the foot 23b1 of the edges of leakage 23b of the fins 23 (ie at the level of the second longitudinal edge opposite the first longitudinal edge in the radial direction).
  • the feet 23a1, 23b1 of the leading and trailing edges are connected directly to the support wall 22.
  • the length L1 is between 5 cm and 20 cm.
  • the fins 26 of the second plurality of fins each have a length L2 which is less than the length L1 of the fins 23.
  • the length L2 is also measured at the level of the feet 26a1, 26b1 of the leading and trailing edges of the fins 26 In particular, the length L2 is between 0.2xL1 and L1.
  • the fins 26 of the second plurality of fins are arranged at a predetermined distance D from an upstream edge 25a of the panel 25.
  • the distance D is identical for each fin. Distance D is greater than zero. This predetermined distance makes it possible to improve the aerothermal performance of the heat exchanger and to overcome any separation that may occur upstream of the fins. These separations can be significant due to the configuration of the heat exchanger.
  • the panel 25 extends between the upstream edge 25a and a downstream edge 25b in the longitudinal direction.
  • the panel 25 has a length L3 (measured between the upstream edge 25a and the downstream edge 25b) which is substantially less than the length L1 of the first plurality of fins.
  • the length L3 being substantially equal to the length of the first longitudinal edge of the fins 23.
  • the upstream edge 25a is provided with a first series of tongues 30 in the shape of chevrons.
  • the downstream edge 25b is also provided with a second series of tongues 31 in the shape of a chevron.
  • the tongues 30 are spaced apart by notches 32 in the transverse direction (in a circumferential direction around the longitudinal axis X).
  • the tongues 30 each have a first face 30a and a second face 30b which are connected at a vertex 30c.
  • Each first face 30a and second face 30b has an angle of inclination o1 with the longitudinal axis X.
  • the angle of inclination o1 is between 10° and 90°.
  • the tongues 31 are spaced apart by notches 32 in the transverse direction (in a circumferential direction around the longitudinal axis X).
  • the tabs 31 each have a first face 31a and a second face 31b which are connected at a vertex 31c.
  • each first face 31a and second face 31b has an angle of inclination o2 with the longitudinal axis X.
  • the angle of inclination o2 is between 10° and 90°. In this example, the angle of inclination o2 is greater than the angle of inclination o1.
  • other configurations are possible concerning the angles of inclination o1, o2.
  • the arrangement of these tongues 30 aims to reduce the separation of the flow downstream from the upstream edge 25a of the panel 25.
  • the heat exchanger 21 comprises a first profiled wall 40 arranged upstream of the first series of fins 23 (in the direction of circulation of the air flow along the outer surface 24).
  • the first wall 40 is configured so as to orient and guide the first flow of air F1 which enters the heat exchanger 21, and in particular the fins 23.
  • This first wall 40 is also configured to slow down the flow of incoming air in the heat exchanger 21 .
  • She has a divergent profile.
  • the first wall 40 extends over a width at least equal to the distance over which the fins are arranged.
  • the width of the first profiled wall 40 is greater than the width over which the fins are arranged (in the transverse direction T).
  • the first wall 40 has a shape of revolution around an axis of revolution centered on the longitudinal axis.
  • the first wall 40 comprises a first longitudinal end 40a, upstream, forming with the support wall 22 an air inlet which has a first predetermined height hd in the radial direction R.
  • the first height hd is less than the radial height h1 fins 23.
  • the first wall 40 comprises a second longitudinal end 40b, downstream, which is connected to the upstream edge 25a of the panel 25. In other words, the first wall 40 flares out downstream.
  • the first wall 40 here has a thickness identical to that of the panel 25.
  • the second longitudinal end 40b covers at least part of the fins 23 (in the longitudinal direction L).
  • the width of the first wall 40 is identical to that of the panel 25. Furthermore, the outer surface 27 of the panel has surface continuity with an outer surface 41 of the first wall 40.
  • the heat exchanger 21 is also provided with a second profiled wall 42 arranged downstream of the fins 23 so as to reduce the recirculation phenomena which occur downstream of the fins 23.
  • the second wall 42 is configured to accelerate the flow at the outlet of the heat exchanger 21 .
  • the second wall 42 has substantially the same configuration as that of the first wall 40. However, it has a convergent profile.
  • the width of the second wall 42 is identical to that of the first wall 40 and also to that of the panel 25.
  • the second wall 42 also comprises a first end 42a connected to the longitudinal downstream edge 25b of the panel 25.
  • the second wall 42 comprises a second end 42b, downstream, forming with support wall 22 an air outlet which has a second predetermined height hc in the radial direction.
  • the second height hc is less than the height h1 of the fins 23. In other words, the second wall 42 flares out upstream.
  • the outer surface 27 of the panel 25 has surface continuity with an outer surface 43 of the second wall 27.
  • the ratio between the first height hd and the second height hc is between 0.5 and 1.
  • Each first and second profiled wall 40, 42 has a substantially undulating or curved shape in a plane RL (formed by the perpendicular longitudinal L and radial R directions) perpendicular to the plane LT of the support wall 22.
  • the thickness of the first and second walls is identical to that of the panel 25 as shown in Figure 5.
  • the thickness of the first and second walls 40, 42 increases from their first end 40a, 42a to their second end 40b, 42b.
  • the heat exchanger 21 provided with the first diverging wall 40 and the second converging wall 42 allows a reduction in the overall length since the panel 25 to which they are connected is at a lower height and these will have a length less than the walls of the prior art.
  • the heat exchanger 21 comprises a plurality of support elements 44 for fixing the first and second walls 40, 42 to the support wall 22.
  • the support elements 44 extend in the radial direction from the radially outer surface 24 of the support wall 22.
  • the support elements 44 are regularly distributed along respectively the first and second walls 40, 42 in the transverse direction (or around the longitudinal axis X). These ensure better mechanical strength of the first and second walls 40, 42.
  • the support elements 44 are arranged at the entrance of the first wall 40 and at the exit of the second wall 42.
  • the number of support elements 44 can be identical to the number of fins 23 or be less than the number of fins 23. In the case where the number of fins is less than that of the fins, these can be further apart than the fins 23.
  • the support elements 44 are configured to straighten the flow of the air flow entering the heat exchanger 21 through the first profiled wall 40.
  • the support elements 44 arranged at the inlet of the heat exchanger 21 are potentially thicker than the fins 23 for better mechanical strength of the first wall 40 on the support wall 22. Indeed, the forces applied are potentially greater locally, due to the gyration of the flow of the air stream upstream and its straightening by these same support elements 44. Furthermore, these thicker support elements 44 are more spaced apart in the transverse direction to reduce the associated pressure drops, in this zone where the heat exchanges are not optimal (higher flow speed). Alternatively, the support elements 44 and the fins 23 have the same thickness. Alternatively, the heat exchanger is devoid of support elements 44.
  • the airflow rate passing through the fins 23 and the amount of the slowdown is determined by the ratio 0.2 ⁇ ⁇ ⁇ 0.8.
  • the ratio 0.2 ⁇ ⁇ ⁇ 0.8 makes it possible to adjust the speed of the flow at the outlet of the lower part (through the fins 23) of the heat exchanger 21 and thanks to the first and second walls 40, 42.
  • the heat exchanger 21 described in the preceding embodiments and comprising the first and second walls 40, 42, the fins 23, 26 and the panel 25, is advantageously produced in a single piece and for example by an additive manufacturing process. (or 3D printing) such as a powder bed laser fusion process. Additive manufacturing is carried out, for example, in a direction going from upstream to downstream of the heat exchanger. Alternatively, the different parts of the heat exchanger 21 are made by brazing or by forging.
  • the material used to manufacture the heat exchanger 21 allows a good compromise between thermal conductivity and mass.
  • the material used is metallic material.
  • An example of a material to use is aluminum which is light and a good conductor.
  • the heat exchange system 20 comprises a fluid circulation circuit 61 in which circulates a fluid intended to cool and/or lubricate components and/or equipment of the turbomachine.
  • the fluid circulation circuit using oil, is connected on the one hand to the power source 60 such as a reservoir and on the other hand to one or more pumps provided to promote the delivery of oil to components and/or equipment.
  • the power source 60 is installed in the turbine engine 1 or in the aircraft.
  • the fluid circulation circuit 61 also comprises one or more channels 50 which are arranged in the wall or the thickness of the profiled panel 25 .
  • This or these channels 50 are connected to an oil inlet and an oil outlet (not shown) of main ducts 51 which are arranged in the support wall or under the support wall 22.
  • These main ducts 51 form part of the circuit 61 of fluid circulation.
  • Pipes 62 can be arranged in certain fins 23 or on a side of the heat exchanger (in the case of an exchanger extending over an annular sector) to connect the channels 50 to the main ducts 21 .
  • the panel 25 has a greater thickness than that presented in the previous embodiment.
  • the thickness e of the panel is here between 1 and 10 mm. Oil can flow through panel 25 more easily and channels 50 can be formed or built into the wall of panel 25 more easily.
  • the oil circulates between the fins 23, 26 in the radial direction, which makes it possible to increase the convective exchanges and therefore the power dissipated from the hot fluid (here oil) towards the cold source (the air flow in the secondary stream) .
  • the heat exchanger 21 is produced by additive manufacturing.
  • the presence of the oil circuit requires complete sealing of the channels 50 in panel 25 which is perfectly achieved thanks to this manufacturing process.
  • additive manufacturing allows manufacturing in one piece (coming from material) and facilitates the integration of oil channels.

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Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur (21) pour une turbomachine, en particulier d'aéronef, l'échangeur de chaleur comportant une paroi de support (22) s'étendant sensiblement suivant une direction longitudinale L, une première pluralité d'ailettes (23) s'étendant chacune suivant une direction radiale R depuis une surface radialement externe (24) de la paroi de support (22) et destinées à être balayées par un flux d'air, et un panneau (25) profilé recouvrant les ailettes (23) et s'étendant suivant la direction longitudinale. Selon l'invention, l'échangeur de chaleur comprend une deuxième pluralité d'ailettes (26) s'étendant chacune depuis une surface radialement externe (27) du panneau (25) suivant une direction radiale, le panneau (25) s'étendant entre la première et la deuxième pluralité d'ailettes (23, 26).

Description

DESCRIPTION
TITRE : ECHANGEUR DE CHALEUR A DOUBLE ETAGE ET TURBOMACHINE EQUIPEE D’UN TEL ECHANGEUR DE CHALEUR
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine général de l’aéronautique. Elle vise en particulier un échangeur de chaleur pour une turbomachine.
Arrière-plan technique
L’art antérieur comprend les documents US-A1 -2019277576, FR-A1- 3096409, FR-A1- 2989109, US-A1- 10907500, et FR-A1 -3081735.
Une turbomachine, notamment d’aéronef, comprend divers organes et/ou équipements devant être lubrifiés et/ou refroidis tels que des paliers à roulements et engrenages. La chaleur dégagée par ces composants qui peut être très importante suivant la puissance de l’organe et/ou de l’équipement, est transportée par un fluide et évacuée vers des sources froides disponibles dans l’aéronef.
Il est connu d’équiper la turbomachine d’un ou de plusieurs systèmes d’échanges de chaleur pour réaliser l’échange de chaleur entre le fluide lubrifiant (typiquement de l’huile) et la source froide (air, carburant, etc). Il existe même différents types de systèmes d’échange de chaleur qui sont par exemple les échangeurs de chaleur carburant/huile généralement connus sous l’acronyme anglais FCOC pour « Fuel Cooled Oil Cooler » et les échangeurs de chaleur air/huile connus sous l’acronyme anglais ACOC pour « Air- Cooled Oil Cooler ».
Les échangeurs de chaleur FCOC ont une double fonction de réchauffement du carburant avant la combustion dans la chambre de combustion de la turbomachine et de refroidissement de l’huile réchauffée par les dissipations thermiques de la turbomachine. Cependant, les échangeurs de chaleur FCOC ne suffisent pas à absorber toutes les dissipations thermiques car la température du carburant est limitée en vue des contraintes de sécurité.
Le complément de refroidissement est obtenu par les échangeurs de chaleur ACOC, en particulier ceux du type surfacique et connus sous l’acronyme SACOC. Les échangeurs de chaleur surfacique sont généralement agencés dans la veine secondaire de la turbomachine et utilisent le flux d’air secondaire pour le refroidissement de l’huile circulant dans la turbomachine. Ces échangeurs de chaleur se présentent sous la forme d’une pièce surfacique métallique permettant le passage d’huile dans des canaux. Le flux d’air secondaire est guidé le long d’ailettes portées par cette pièce surfacique et qui ont pour rôle d’augmenter la surface de contact avec le flux d’air secondaire et d’extraire les calories. Toutefois, les échangeurs de chaleur SACOC ont pour inconvénient de créer des pertes de charge supplémentaires dans la veine secondaire concernée puisqu’ils perturbent l’écoulement d’air, ce qui impacte la performance de la turbomachine ainsi que la consommation de carburant spécifique.
Leur performance aérothermique (ratio entre la puissance thermique dissipée et la perte de charge induite du côté du flux d’air secondaire) est faible également. En effet, l’écoulement d’air circule à haute vitesse entre les ailettes de l’échangeur de chaleur classique SACOC et les pertes de charge induites augmentent plus vite que la puissance thermique dissipée quand la vitesse de l’écoulement augmente. Ainsi à vitesse élevée les performances aérothermiques sont en général faibles. Par ailleurs, à cause du développement des couches limites entre les ailettes, une part importante de l’écoulement d’air s’échappe par l’extrémité libre haute des ailettes et ne contribue pas à l’échange de chaleur.
De plus, les besoins en refroidissement du fluide lubrifiant augmentent du fait de l’accroissement des vitesses de rotation et des puissances mises en jeu pour répondre aux tendances de spécification sur les turbomachines.
Dans l’exemple d’échangeur de chaleur décrit dans le brevet FR-B1 -3096444 au nom de la demanderesse, pour améliorer les performances aérothermiques, il a été proposé de rajouter des moyens de ralentissement du flux d’air entrant dans les ailettes et des moyens d’accélération du flux d’air sortant des ailettes. Cet échangeur de chaleur comprend également un capot ou panneau qui recouvre les extrémités libres longitudinales pour éviter que le flux d’air ne s’échappe de l’échangeur de chaleur par les extrémités libres longitudinales. Cependant, l’échange thermique est moins important à proximité des extrémités libres longitudinales à cause de la différence de température sur la hauteur des ailettes et la perte de charge peut augmenter dans une telle configuration.
Résumé de l’invention L’objectif de la présente invention est de fournir un échangeur de chaleur permettant d’optimiser ses performances thermiques tout en réduisant les pertes d’énergie mécaniques et en évitant d’impacter la masse considérablement.
Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à un échangeur de chaleur pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, l’échangeur de chaleur comportant :
- une paroi de support s’étendant sensiblement suivant une direction longitudinale L,
- une première pluralité d’ailettes s’étendant chacune suivant une direction radiale R depuis une surface radialement externe de la paroi de support et destinées à être balayées par un premier flux d’air, et
- un panneau profilé recouvrant les ailettes et s’étendant suivant la direction longitudinale, l’échangeur de chaleur comprend une deuxième pluralité d’ailettes destinées à être balayées par un deuxième flux d’air et en ce que le panneau s’étend entre la première et la deuxième pluralité d’ailettes, et la pluralité d’ailettes comprenant chacune une extrémité libre longitudinale au niveau de laquelle peut s’évacuer le deuxième flux d’air.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, avec une telle configuration, l’échangeur de chaleur permet que le deuxième flux d’air circulant dans les deuxième ailettes soit libre de s’évacuer ce qui permet une réduction des pertes de charge à un endroit où la performance aérothermique des ailettes est moindre du fait de la conductivité thermique limitée du matériau les constituant. L’échangeur de chaleur permet de ne canaliser et ralentir que le premier flux circulant dans les premières ailettes où leurs performances aérothermiques sont meilleures. En effet, la température des ailettes décroît avec la hauteur à cause de la conductivité thermique limitée du matériau utilisé, et la partie supérieure des ailettes contribue par conséquent moins à l’évacuation de la chaleur.
L’échangeur de chaleur comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le panneau présente une épaisseur comprise entre 0.2 mm et 1 mm.
- le panneau comprend un bord amont pourvu d’une première série de languettes en forme de chevrons et un bord aval pourvu d’une deuxième série de languettes en forme de chevron, chaque languette présentant une première face et une deuxième face reliée à un sommet, la première face ou la deuxième face de la première série de languettes présentant un angle d’inclinaison avec l’axe longitudinal, et la première face ou la deuxième face de la deuxième série de languettes présentant un angle d’inclinaison avec l’axe longitudinal, les angles d’inclinaison étant compris entre 10° et 90°.
- les ailettes de la première pluralité d’ailettes et de la deuxième pluralité d’ailettes sont continues et rectilignes chacune suivant la direction longitudinale.
- les ailettes de la première pluralité d’ailettes présente une longueur supérieure à une longueur des ailettes de la deuxième pluralité d’ailette.
- chaque ailette présente un bord d’attaque opposé à un bord de fuite suivant la direction longitudinale, les bords d’attaque de chaque ailette de la deuxième pluralité d’ailettes sont placés à une distance prédéterminée d’un bord amont du panneau.
- la distance prédéterminée est supérieure à zéro.
- chaque ailette présente une forme trapézoïdale, chaque bord d’attaque et chaque bord de fuite des ailettes de la première pluralité d’ailettes et de la deuxième pluralité d’ailettes est incliné suivant un angle d’inclinaison formé avec la surface radialement externe de la paroi de support, l’angle d’inclinaison des bords d’attaque des ailettes étant comprise entre 20°et 80°.
- les angles d’inclinaison des bords d’attaque et bords de fuite de la première pluralité d’ailettes sont identiques et en ce que l’angle d’inclinaison des bords de fuite de la deuxième pluralité d’ailettes est supérieur à l’angle d’inclinaison aux bords de d’attaque de la deuxième pluralité d’ailettes.
- le panneau est disposé à une hauteur prédéterminée de la surface radialement externe de la paroi de support, la hauteur prédéterminée étant donnée par le ratio 0.1 < —
Figure imgf000006_0001
— <
Figure imgf000006_0002
0.9, h1 étant la hauteur des ailettes de la première pluralité d’ailettes et étant la hauteur des ailettes la deuxième pluralité d’ailettes.
- l’échangeur de chaleur comprend une première paroi profilée disposée en amont des ailettes et configurée de manière à guider et ralentir le premier flux d’air entrant dans l’échangeur de chaleur à travers les ailettes et une deuxième paroi profilée disposée en aval des ailettes et configurées de manière à accélérer le premier flux d’air sortant de l’échangeur de chaleur, chaque première et deuxième paroi profilée étant fixée à la paroi de support via des éléments de support s’étendant radialement depuis la surface radialement externe, la première paroi étant reliée en amont au panneau et la deuxième paroi étant reliée en aval au panneau.
- la première paroi profilée comprend une première extrémité formant avec la paroi de support une entrée d’air présentant une première hauteur radiale et la deuxième paroi profilée comprend une première extrémité formant avec la paroi de support une sortie d’air présentant une deuxième hauteur radiale, le rapport entre la première hauteur et la deuxième hauteur étant compris entre 0.5 et 1 . - l’échangeur de chaleur comprend un ou des canaux agencés dans l’épaisseur du panneau, le ou les canaux étant destiné à être relié(s) à un circuit de circulation fluidique dans lequel circule un fluide destiné à refroidir et/ou lubrifier des organes et/ou équipement de la turbomachine.
-l’échangeur de chaleur est réalisé par fabrication additive.
- la deuxième pluralité d’ailettes s’étendant chacune depuis une surface radialement externe du panneau suivant une direction radiale.
- chaque ailette présente un bord d’attaque opposé à un bord de fuite suivant la direction longitudinale.
- la pluralité d’ailettes comprend chacune une extrémité libre longitudinale reliée au bord d’attaque et au bord de fuite au niveau de laquelle peut s’évacuer le deuxième flux d’air.
- l’échangeur de chaleur est du type surfacique air/huile.
L’invention concerne également un module de turbomachine d’axe longitudinal X comprenant un carter annulaire autour de l’axe longitudinal dans lequel circule un flux d’air et un échangeur de chaleur, présentant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, qui est agencé dans le carter annulaire.
L’invention concerne en outre une turbomachine comprenant au moins un échangeur de chaleur présentant l’une quelconque des caractéristiques précédentes et/ou un module de turbomachine tel que susmentionné.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe axiale d’un exemple de turbomachine à laquelle s’applique l’invention;
La figure 2 est une vue en perspective d’un échangeur de chaleur destiné à équiper une turbomachine selon l’invention ;
La figure 3 est une vue schématique et en coupe axiale d’un exemple d’échangeur de chaleur selon l’invention ;
La figure 4 représente une vue de dessus d’un panneau équipant un échangeur de chaleur selon invention ; La figure 5 illustre schématiquement et en coupe axiale un autre mode de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention ;
La figure 6 est une vue schématique et en coupe axiale d’un autre mode de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
La figure 1 montre une vue en coupe axiale d’une turbomachine 1 d’axe longitudinal X à laquelle s’applique l’invention. La turbomachine 1 représentée est une turbomachine 1 double flux destinée à être montée sur un aéronef. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à ce type de turbomachine.
Dans la présente invention, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation des gaz dans la turbomachine et ici suivant l’axe longitudinal X et en référence à la figure 1 de gauche à droite. De même, une turbomachine se compose généralement de plusieurs modules qui sont fabriqués indépendamment les uns des autres et qui sont assemblés ensuite les uns aux autres de manière à faciliter son assemblage, son démontage ainsi que sa maintenance.
La turbomachine 1 double flux comprend de manière générale un générateur de gaz ou moteur à turbine à gaz 2 en amont duquel est montée une soufflante ou module de soufflante 3. Le générateur de gaz 2 comprend un ensemble de compresseur de gaz (comportant ici un compresseur basse pression 4a et un compresseur haute pression 4b), une chambre de combustion 5 et un ensemble de turbine (comportant ici une turbine haute pression 6a et une turbine basse pression 6b). Classiquement la turbomachine comprend un arbre basse pression 7 qui relie le compresseur basse pression 4a et la turbine basse pression 6b pour former un corps basse pression et un arbre haute pression 8 qui relie le compresseur haute pression 4b et la turbine haute pression 6a pour former un corps haute pression. L’arbre basse pression 7, centré sur l’axe longitudinal, entraîne ici un arbre de soufflante 9. Un réducteur de vitesse 10 peut être interposé, comme ici, entre l’arbre de soufflante 9 et l’arbre basse pression 7. Des paliers de guidage 1 1 en rotation permettent également de guider en rotation l’arbre basse pression 7, l’arbre haute pression 8 et l’arbre de soufflante par rapport à une structure fixe de la turbomachine.
La soufflante 3 est carénée par un carter de soufflante 12 portée par une nacelle 13. La soufflante 3 génère, à partir d’un flux d’air F entrant dans la soufflante, un flux d’air primaire qui circule à travers le générateur de gaz 2 dans une veine primaire 14 et un flux d’air secondaire qui circule dans une veine secondaire 15 autour du générateur de gaz 2. Le flux d’air secondaire est éjecté par une tuyère secondaire 16 terminant la nacelle 13 alors que le flux d’air primaire est éjecté à l’extérieur de la turbomachine via une tuyère d’éjection 17 située en aval du générateur de gaz 2. Dans la suite de la description, le carter de soufflante 12 et la nacelle 13 sont considérés comme une seule et même pièce.
Les paliers de guidage 11 et le réducteur de vitesse 10 dans cet exemple de configuration de la turbomachine 1 doivent être lubrifiés et/ ou refroidis pour assurer la performance de la turbomachine. La puissance générée par ceux-ci est dissipée dans un fluide provenant d’une source d’alimentation 60 en fluide installée dans la turbomachine et qui permet de lubrifier et/ou de refroidir divers organes et/ou équipements de la turbomachine. Bien entendu, d’autres équipements de la turbomachine génèrent beaucoup de chaleur devant être extraite de leur environnement.
A cet effet, la turbomachine 1 comprend un système d’échange de chaleur 20 qui permet de refroidir le fluide destiné à lubrifier et/ou refroidir ces organes et/ou équipements. Dans le présent exemple, le fluide est une huile et la source froide destinée à refroidir l’huile est le flux d’air circulant dans la turbomachine, notamment le flux d’air secondaire.
Le système d’échange de chaleur 20 comprend un échangeur de chaleur 21 qui est agencé dans le module de soufflante comme cela est représenté schématiquement sur la figure 1 . En particulier, l’échangeur de chaleur 21 est porté par le carter de soufflante 13. Plus précisément encore, l’échangeur de chaleur 21 est agencé dans la veine secondaire 15 de sorte que celui-ci soit traversé par le flux d’air secondaire.
Avantageusement, l’échangeur de chaleur 21 est du type surfacique air/huile.
Comme cela est également représenté sur la figure 1 , l’échangeur de chaleur 21 occupe une portion de la veine dans laquelle celui-ci est installé et en particulier une portion suivant l’axe radial.
En référence à la figure 2, l’échangeur de chaleur 21 comporte une paroi de support 22 qui s’étend suivant une direction longitudinale L. La paroi de support 22 est ici sensiblement plane. Cette paroi 22 peut ne pas être tout à fait plane mais incurvée pour suivre le profil de la paroi du carter de soufflante 12 qui est destinée à porter l’échangeur de chaleur 21 et qui est sensiblement cylindrique (d’axe longitudinal X). L’échangeur de chaleur 21 peut être annulaire et occuper toute la paroi du carter de soufflante 12. De manière alternative, l’échangeur de chaleur 21 est agencé sur une portion du carter de soufflante 12. L’échangeur de chaleur s’étend dans ce cas sur un secteur angulaire inférieur à 360° autour de l’axe longitudinal X.
L’échangeur de chaleur 21 comprend également une première pluralité d’ailettes 23 qui s’élèvent chacune ici depuis une surface externe 24 de la paroi de support 22. Les ailettes 23 s’étendent suivant une direction radiale R qui est perpendiculaire à la direction longitudinale L. Nous utilisons le terme « direction » pour décrire l’échangeur de chaleur 21 en particulier. La direction radiale est parallèle à un axe radial qui s’étend depuis l’axe longitudinal L de la turbomachine 1 . La direction longitudinale L est parallèle à l’axe longitudinal de la turbomachine en situation d’installation.
Comme nous pouvons le voir sur les figures 2 et 3, les ailettes 23 sont continues et rectilignes. Celles-ci s’étendent chacune suivant la direction longitudinale L (sensiblement parallèle à la circulation ou écoulement du flux d’air dans la turbomachine et notamment dans l’échangeur de chaleur 21). Plus précisément encore, chaque ailette 23 est généralement plate. Les ailettes 23 sont agencées successivement et régulièrement sur la surface radialement externe 24 suivant une direction transversale T qui est perpendiculaire à la direction longitudinale L et à la direction radiale R. Elles sont encore sensiblement parallèles entre elles.
Suivant une alternative non représentée, les ailettes 23 peuvent être discontinues et placées en quinconce sur la surface externe 24 et suivant la direction radiale ou la direction longitudinale. Dans ce cas, il y a plusieurs rangées d’ailettes dans ces deux directions et disposées de manière décalée. Cette disposition permet d’augmenter le coefficient d’échange thermique et de diminuer la surface d’échange.
Sur la figure 3, chaque ailette 23 de la première pluralité d’ailettes 23 présente un bord d’attaque 23a et un bord de fuite 23b opposés suivant le sens de circulation du flux d’air (ou suivant la direction longitudinale L). De manière avantageuse, chaque ailette 23 présente une forme générale trapézoïdale. De la sorte, les bords d’attaque 23a et les bords de fuite 23b sont inclinés par rapport à la surface externe 24 en formant un angle d’inclinaison. En particulier, les angles d’inclinaison o1 au niveau des bords d’attaque 23a et les angles d’inclinaison 01 au niveau des bords de fuite 23b des ailettes 23 sont identiques. Bien entendu, les angles d’inclinaison a1 , 01 peuvent être différents. De manière avantageuse, les angles d’inclinaison o1 , 01 sont compris entre 20° et 80° L’échangeur de chaleur 21 comprend un panneau 25 profilé recouvrant les ailettes 23. De la sorte, le panneau 25 permet de guider et contrôler l’écoulement au moins d’une partie du flux d’air à l’intérieur de l’échangeur de chaleur 21 . Les ailettes 23 sont ainsi agencées radialement entre la paroi de support 22 et le panneau 25 profilé. Le panneau 25 couvre l’intégralité du premier bord longitudinal (opposé à la surface externe 24) des ailettes 23. Le panneau 25 profilé s’étend suivant la direction longitudinale L. Le panneau 25 présente également une largeur (suivant la direction transversale). Tel qu’illustré sur la figure 2, le panneau 25 est plan. Cependant, le panneau 25 est sensiblement cylindrique ou incurvé (autour de l’axe longitudinal X en situation d’installation dans la turbomachine).
Comme nous pouvons le voir également sur les figures 2 et 3, l’échangeur de changeur 21 comprend une deuxième pluralité d’ailettes 26 qui s’élèvent chacune ici depuis une surface externe 27 du panneau 25. Les ailettes 26 s’étendent chacune suivant la direction longitudinale L. Le panneau 25 est agencé radialement entre la première pluralité d’ailettes 23 et la deuxième pluralité d’ailettes 26. Nous comprenons comme cela est représenté sur la figure 2 que la deuxième pluralité d’ailettes 26 est distincte (ou indépendante) de la première pluralité d’ailettes 23.
Dans le présent exemple, les ailettes 26 de la deuxième pluralité d’ailettes sont sensiblement similaires aux ailettes 23 de la première pluralité d’ailettes. En d’autres termes, ces ailettes 26 sont ici continues, rectilignes et plates. Elles sont également de forme trapézoïdale. Les ailettes 26 présentent chacune un bord d’attaque 26a et un bord de fuite 26b. Les bords d’attaque 26a sont inclinées par rapport à la surface radialement externe 27 en formant un angle d’inclinaison o2. De même, les bords de fuite 26b sont inclinés par rapport à la surface radialement externe 27 en formant un angle d’inclinaison 02. De manière avantageuse, les angles d’inclinaison o2, 02 sont compris entre 20° et 80°.
Dans le présent exemple, l’angle d’inclinaison 02 est supérieur à l’angle d’inclinaison o1. Bien entendu, les angles d’inclinaison o2, 02 peuvent être identiques ou encore l’angle d’inclinaison 02 peut être inférieur à l’angle d’inclinaison o2 en fonction des performances aérothermiques recherchées.
Les ailettes 26 comprennent chacune une extrémité libre 26c longitudinale qui est reliée au bord d’attaque 26a et au bord de fuite 26b. L’extrémité libre 26c est opposée radialement à la surface radialement externe 27 du panneau 25. En d’autres termes, la deuxième pluralité d’ailettes n’est pas recouverte par un autre panneau ou paroi. De la sorte, une partie du flux d’air circule à travers ces ailettes 26. En particulier, un premier flux d’air F1 circule à l’intérieur des ailettes 23, entre le panneau 25 et la paroi de support 22, et s’évacue au niveau des bords de fuite 23b. Un deuxième flux d’air F2 circule à travers les ailettes 26 et s’évacue par les extrémités libres 26c longitudinales et par les bords de fuite 26. Le flux d’air entrant dans l’échangeur de chaleur 21 est séparé pour former le premier flux d’air F1 et le deuxième flux d’air F2.
En référence à la figure 3, les ailettes 23 présentent chacune une hauteur h1 depuis la surface radialement externe 24. La hauteur h1 est mesurée entre la surface radialement externe 24 et une surface radialement interne 28 du panneau 25 profilé. La hauteur h1 des ailettes 23 est comprise entre 5 mm et 20 mm. Les ailettes 26 présentent chacune une hauteur h2 depuis la surface radialement externe 27 du panneau 25. La hauteur h2 est mesurée entre la surface radialement externe 27 et l’extrémité libre 26c longitudinale (ici horizontale). La hauteur h2 des ailettes est comprise entre 5 mm et 20 mm.
De manière avantageuse, le panneau 25 présente une épaisseur e comprise entre 0.2 mm et 1 mm. L’épaisseur du panneau est à ajuster en fonction de l’application et du procédé de fabrication, pour réaliser un compromis entre la masse, la tenue mécanique, et la fabricabilité de l’échangeur de chaleur.
Le panneau 25 est disposé à une hauteur prédéterminée hp de la surface radialement externe 24 du panneau de support 22. En particulier la hauteur prédéterminée hp est déterminée par le ratio 0.1 < —
Figure imgf000012_0001
— < 0.9. Ce ratio permet d’ajuster le débit du premier
Figure imgf000012_0002
flux d’air F1 circulant d’une part, dans les ailettes 23 qui sont confinées ou recouvertes par le panneau 25 et d’autre part, le débit du deuxième flux d’air F2 circulant dans les ailettes 26. Le ratio est choisi pour maximiser les performances aérothermiques de l’échangeur de chaleur 21 .
Suivant une caractéristique avantageuse, la hauteur totale HT de l’échangeur de chaleur 21 est déterminée par la formule suivante ■. h1 + h2 + e. La hauteur totale HT est comprise entre 5 mm et 40 mm. La hauteur HT du présent échangeur de chaleur 21 est identique ou sensiblement identique (+/- 5 mm) de l’échangeur de chaleur de l’art antérieur tel que celui décrit dans le FR-B1 -3096444. La différence réside dans le fait que le panneau 25 est abaissé à une certaine hauteur où le maximum d’échange thermique est réalisé à travers les ailettes 23 couvertes et le flux d’air F2 peut s’évacuer rapidement par les extrémités libres 26c longitudinales des ailettes 26 pour réduire les pertes de charge. Toujours sur la figure 3, chaque ailette 23 présente une longueur L1 suivant la direction longitudinale. La longueur L1 est mesurée entre le bord d’attaque 23a et le bord de fuite 23b de chaque ailette 23. Plus précisément encore, la longueur L1 est mesure au niveau du pied 23a1 des bords d’attaque 23a et du pied 23b1 des bords de fuite 23b des ailettes 23 (soit au niveau du deuxième bord longitudinal opposé au premier bord longitudinal suivant la direction radiale). Les pieds 23a1 , 23b1 des bords d’attaque et de fuite sont reliés directement à la paroi de support 22. La longueur L1 est comprise entre 5 cm et 20 cm.
Les ailettes 26 de la deuxième pluralité d’ailettes présentent chacune une longueur L2 qui est inférieure à la longueur L1 des ailettes 23. La longueur L2 est également mesurée au niveau des pieds 26a1 , 26b1 des bords d’attaque et de fuite des ailettes 26. En particulier la longueur L2 est comprise entre 0.2xL1 et L1 . Ces caractéristiques géométriques permettent de minimiser la résistance thermique entre les ailettes supérieures, et la paroi de support 22.
Suivant une caractéristique avantageuse, les ailettes 26 de la deuxième pluralité d’ailettes sont disposées à une distance prédéterminée D d’un bord amont 25a du panneau 25. Nous comprenons et comme cela est illustré sur les figures 2, 3, 5 et 6 que toutes les ailettes 26 sont décalées axialement (ou suivant la direction longitudinale) par rapport au bord amont 25a du panneau. La distance D est identique pour chaque ailette. La distance D est supérieure à zéro. Cette distance prédéterminée permet d’améliorer les performances aérothermiques de l’échangeur de chaleur et de palier les décollements pouvant intervenir en amont des ailettes. Ces décollements peuvent être importants du fait de la configuration de l’échangeur de chaleur. En effet, le flux d’air qui entre dans l’échangeur de chaleur arrive avec une incidence non-nulle sur le panneau 25 à cause de la possibilité de contourner l’échangeur de chaleur ; le flux d’air étant « confiné » par le panneau 25 au niveau de la première pluralité d’ailettes 23 et « libre » au niveau de la deuxième pluralité d’ailettes 26.
En référence à la figure 4, le panneau 25 s’étend entre le bord amont 25a et un bord aval 25b suivant la direction longitudinale. De manière avantageuse, le panneau 25 présente une longueur L3 (mesurée entre le bord amont 25a et le bord aval 25b) qui est sensiblement est inférieure à la longueur L1 de la première pluralité d’ailettes. La longueur L3 étant sensiblement égale à la longueur du premier bord longitudinal des ailettes 23. Comme nous pouvons le voir en particulier sur la figure 4 et suivant un mode de réalisation non limitatif, le bord amont 25a est pourvu d’une première série de languettes 30 en forme de chevrons. Le bord aval 25b est également pourvu d’une deuxième série de languettes 31 en forme de chevron. Les languettes 30 sont espacées entre elles par des échancrures 32 suivant la direction transversale (suivant une direction circonférentielle autour de l’axe longitudinal X). Les languettes 30 présentent chacune une première face 30a et une deuxième face 30b qui sont reliées en un sommet 30c. Chaque première face 30a et deuxième face 30b présente un angle d’inclinaison o1 avec l’axe longitudinal X. L’angle d’inclinaison o1 est compris entre 10° et 90°. De même, les languettes 31 sont espacées entre elles par des échancrures 32 suivant la direction transversale (suivant une direction circonférentielle autour de l’axe longitudinal X). Les languettes 31 présentent chacune une première face 31a et une deuxième face 31 b qui sont reliées en un sommet 31c.
De manière avantageuse, mais non limitativement, chaque première face 31a et deuxième face 31 b présente un angle d’inclinaison o2 avec l’axe longitudinal X. L’angle d’inclinaison o2 est compris entre 10° et 90°. Dans le présent exemple, l’angle d’inclinaison o2 est supérieur à l’angle d’inclinaison o1. Bien entendu, d’autres configurations sont envisageables concernant les angles d’inclinaison o1 , o2.
L’agencement de ces languettes 30 vise à diminuer le décollement de l’écoulement en aval du bord amont 25a du panneau 25.
La figure 5 illustre un autre mode de réalisation de l’invention. Les éléments identiques des modes de réalisation précédents sont représentés par les mêmes références numériques. Dans cet exemple, l’échangeur de chaleur 21 comprend une première paroi 40 profilée disposée en amont de la première série d’ailettes 23 (suivant le sens de circulation du flux d’air le long de la surface externe 24). La première paroi 40 est configurée de manière orienter et guider le premier flux d’air F1 qui entre dans l’échangeur de chaleur 21 , et en particulier les ailettes 23. Cette première paroi 40 est également configurée pour ralentir le flux d’air entrant dans l’échangeur de chaleur 21 . Elle a un profil divergent. La première paroi 40 s’étend sur une largeur au moins égale à la distance sur laquelle sont disposées les ailettes. En particulier, la largeur de la première paroi 40 profilée est supérieure à la largeur sur laquelle sont disposées les ailettes (suivant la direction transversale T). Bien entendu, dans le cas d’un échangeur de chaleur annulaire, la première paroi 40 présente une forme de révolution autour d’un axe de révolution centré sur l’axe longitudinal. La première paroi 40 comprend une première extrémité 40a longitudinale, en amont, formant avec la paroi de support 22 une entrée d’air qui présente une première hauteur hd prédéterminée suivant la direction radiale R. La première hauteur hd est inférieure à la hauteur h1 radiale des ailettes 23. La première paroi 40 comprend une deuxième extrémité 40b longitudinale, en aval, qui est reliée au bord amont 25a du panneau 25. En d’autres termes, la première paroi 40 s’évase vers l’aval. La première paroi 40 présente ici une épaisseur identique à celle du panneau 25. La deuxième extrémité 40b longitudinale recouvre au moins une partie des ailettes 23 (suivant la direction longitudinale L).
Avantageusement, mais non limitativement, la largeur de la première paroi 40 est identique à celle du panneau 25. Par ailleurs, la surface externe 27 du panneau présente une continuité de surface avec une surface externe 41 de la première paroi 40.
L’échangeur de chaleur 21 est également pourvu d’une deuxième paroi 42 profilée disposée en aval des ailettes 23 de manière à réduire les phénomènes de recirculation qui interviennent en aval des ailettes 23. La deuxième paroi 42 est configurée pour accélérer le flux en sortie de l’échangeur de chaleur 21 . La deuxième paroi 42 présente sensiblement la même configuration que celle de la première paroi 40. Elle a cependant un profil convergent. La largeur de la deuxième paroi 42 est identique à celle de la première paroi 40 et aussi à celle du panneau 25. La deuxième paroi 42 comprend également une première extrémité 42a reliée au bord aval 25b longitudinal du panneau 25. La deuxième paroi 42 comprend une deuxième extrémité 42b, en aval, formant avec la paroi de support 22 une sortie d’air qui présente une deuxième hauteur hc prédéterminée suivant la direction radiale. La deuxième hauteur hc est inférieure à la hauteur h1 des ailettes 23. En d’autres termes, la deuxième paroi 42 s’évase vers l’amont. La surface externe 27 du panneau 25 présente une continuité de surface avec une surface externe 43 de la deuxième paroi 27.
Dans le présent exemple de réalisation, le rapport entre la première hauteur hd et la deuxième hauteur hc est compris entre 0.5 et 1 .
Chaque première et deuxième paroi profilée 40, 42 présente une forme sensiblement ondulée ou incurvée dans un plan RL (formé par les directions longitudinale L et radiale R perpendiculaires) perpendiculaire au plan LT de la paroi de support 22. L’épaisseur de première et deuxième parois est identique à celle du panneau 25 comme cela est représenté sur la figure 5. De manière alternative, l’épaisseur des première et deuxième parois 40, 42 s’accroit de leur première extrémité 40a, 42a, à leur deuxième extrémité 40b, 42b.
L’échangeur de chaleur 21 pourvu de la première paroi 40 divergente et de la deuxième paroi 42 convergente permet une réduction de l’encombrement en longueur puisque le panneau 25 auquel celles-ci sont reliées se trouve à une hauteur moins élevée et celles-ci auront une longueur inférieure aux parois de l’art antérieur.
En référence à la figure 5, l’échangeur de chaleur 21 comprend une pluralité d’éléments de support 44 permettant de fixer les première et deuxième parois 40, 42 à la paroi de support 22. En d’autres termes, les éléments de support 44 s’étendent suivant la direction radiale depuis la surface radialement externe 24 de la paroi de support 22. Les éléments de support 44 sont répartis régulièrement le long respectivement des première et deuxième parois 40, 42 suivant la direction transversale (au autour de l’axe longitudinal X). Celles-ci assurent une meilleure tenue mécanique des première et deuxièmes parois 40, 42.
Corne illustré sur la figure 5, les éléments de support 44 sont agencés au niveau de l’entrée de la première paroi 40 et au niveau de la sortie de la deuxième paroi 42. Le nombre des éléments de support 44 peut être identique au nombre de ailettes 23 ou être inférieur au nombre des ailettes 23. Dans le cas où le nombre d’ailettes est inférieur à celui des ailettes, ceux-ci peuvent être plus espacés que les ailettes 23.
Suivant une variante de réalisation, les éléments de support 44 sont configurés pour redresser l’écoulement du flux d’air entrant dans l’échangeur de chaleur 21 à travers la première paroi 40 profilée.
Les éléments de support 44 disposés à l’entrée de l’échangeur de chaleur 21 sont potentiellement plus épaisses que les ailettes 23 pour une meilleure tenue mécanique de la première paroi 40 sur la paroi de support 22. En effet, les efforts appliqués sont potentiellement plus importants localement, en raison de la giration de l’écoulement du flux d’air en amont et son redressement par ces mêmes éléments de support 44. Par ailleurs, ces éléments de support 44 plus épais sont davantage espacés suivant la direction transversale pour réduire les pertes de charge associées, dans cette zone où les échanges thermiques ne sont pas optimaux (vitesse d’écoulement plus importante). Alternativement, les éléments de support 44 et les ailettes 23 présentent la même épaisseur. Alternativement, l’échangeur de chaleur est dépourvu des éléments de support 44.
Dans cet exemple d’échangeur de chaleur 21 , le débit de flux d’air traversant les ailettes 23 et l’importance du ralentissement est déterminé par le ratio 0.2 < ^ < 0.8. Le ratio 0.2 < ^ < 0.8 permet d’ajuster la vitesse de l’écoulement en sortie de la partie inférieure (à travers les ailettes 23) de l’échangeur de chaleur 21 et grâce aux première et deuxième parois 40, 42.
L’échangeur de chaleur 21 décrit dans les modes de réalisation précédant et comprenant les première et deuxième parois 40, 42, les ailettes 23, 26 et le panneau 25, est avantageusement réalisé en une seule pièce et par exemple par un procédé de fabrication additive (ou impression 3D) telle qu’un procédé de fusion de laser sur lit de poudre. La fabrication additive est réalisée par exemple dans un sens allant de l’amont vers l’aval de l’échangeur de chaleur. De manière alternative, les différentes parties de l’échangeur de chaleur 21 sont réalisées par brasure ou par forgeage.
Le matériau utilisé pour fabriquer l’échangeur de chaleur 21 permet un bon compromis entre la conductivité thermique et la masse. Le matériau utilisé est un matériau métallique. Un exemple de matériau à utiliser est l’aluminium qui est léger et bon conducteur.
Suivant un autre mode de réalisation représenté sur la figure 6, le système d’échange de chaleur 20 comprend un circuit 61 de circulation fluidique dans lequel circule un fluide destiné à refroidir et/ou lubrifier des organes et/ou équipements de la turbomachine. Typiquement le circuit de circulation fluidique, utilisant de l’huile, est relié d’une part, à la source d’alimentation 60 telle qu’un réservoir et d’autre part, à une ou plusieurs pompes prévues pour favoriser l’acheminement de l’huile vers les organes et/ou équipements. La source d’alimentation 60 est installée dans la turbomachine 1 ou dans l’aéronef.
Le circuit 61 de circulation fluidique comprend également un ou plusieurs canaux 50 qui sont agencés dans la paroi ou l’épaisseur du panneau 25 profilé. Ce ou ces canaux 50 sont reliés à une entrée d’huile et à une sortie d’huile (non représentée) de conduits principaux 51 qui sont aménagés dans la paroi de support ou sous la paroi de support 22. Ces conduits principaux 51 font partie du circuit 61 de circulation fluidique. Des canalisations 62 peuvent être agencées dans certaines ailettes 23 ou sur un flanc de l’échangeur de chaleur (dans le cas d’un échangeur s’étendant sur un secteur annulaire) pour relier les canaux 50 aux conduits principaux 21 . Dans ce cas, le panneau 25 présente une épaisseur plus importante que celle présentée dans le mode de réalisation précédent. L’épaisseur e du panneau est comprise ici entre 1 et 10 mm. L’huile peut circuler plus facilement dans le panneau 25 et les canaux 50 peuvent être formés ou intégrés plus facilement dans la paroi du panneau 25.
L’huile circule entre les ailettes 23, 26 suivant la direction radiale ce qui permet d’augmenter les échanges convectifs et donc la puissance dissipée du fluide chaud (ici huile) vers la source froide (le flux d’air dans la veine secondaire).
Dans cet exemple de réalisation, l’échangeur de chaleur 21 est réalisé par fabrication additive. La présence du circuit d’huile exige une étanchéité complète des canaux 50 dans panneau 25 qui est parfaitement atteinte grâce à ce procédé de fabrication. Les dimensions de l’échangeur de chaleur 21 ainsi que les différentes courbures qui sont réalisables avec la fabrication additive. Comme nous l’avons évoqué précédemment, la fabrication additive permet une fabrication en une seule pièce (venue de matière) et facilite l’intégration de canaux d’huile.

Claims

REVENDICATIONS Echangeur de chaleur (21) pour une turbomachine (1), en particulier d’aéronef, l’échangeur de chaleur (21 ) comportant :
- une paroi de support (22) s’étendant sensiblement suivant une direction longitudinale L,
- une première pluralité d’ailettes (23) s’étendant chacune suivant une direction radiale R depuis une surface radialement externe (24) de la paroi de support (22) et destinées à être balayées par un premier flux d’air (F1), et
- un panneau (25) profilé recouvrant les ailettes (23) et s’étendant suivant la direction longitudinale,
- une deuxième pluralité d’ailettes (26) destinées à être balayées par un deuxième flux d’air (F2) et en ce que le panneau (25) s’étend entre la première et la deuxième pluralité d’ailettes (23, 26), chaque ailette (23, 26) présentant un bord d’attaque (23a, 26a) opposé à un bord de fuite (23b, 26b) suivant la direction longitudinale (L), caractérisé en ce que la deuxième pluralité d’ailettes (26) est distincte de la première pluralité d’ailettes (23) et comprend chacune une extrémité libre (26c) longitudinale reliée au bord d’attaque (26a) et au bord de fuite (26b) au niveau de laquelle peut s’évacuer le deuxième flux d’air (F2). Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le panneau (25) présente une épaisseur (e) comprise entre 0.2 mm et 1 mm. Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le panneau (25) comprend un bord amont (25a) pourvu d’une première série de languettes (30) en forme de chevrons et un bord aval (25b) pourvu d’une deuxième série de languettes (31) en forme de chevron, chaque languette (30, 31) présentant une première face (30a, 31a) et une deuxième face (30b, 31 b) reliée à un sommet (30c, 31c), la première face (30a) ou la deuxième face (31 b) de la première série de languettes (30) présentant un angle d’inclinaison (o1) avec l’axe longitudinal (L), et la première face (31 a) ou la deuxième face (31b) de la deuxième série de languettes (31) présentant un angle d’inclinaison (o2) avec l’axe longitudinal (L), les angles d’inclinaison étant compris entre 10° et 90°.
. Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (23, 26) de la première pluralité d’ailettes et de la deuxième pluralité d’ailettes sont continues et rectilignes chacune suivant la direction longitudinale (L).
5. Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (23) de la première pluralité d’ailettes présente une longueur (L1 ) supérieure à une longueur L2 des ailettes (26) de la deuxième pluralité d’ailette.
6. Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bords d’attaque (26a) des ailettes (26) de la deuxième pluralité d’ailettes sont placés à une distance prédéterminée (D) d’un bord amont (25a) du panneau (25). . Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette (23, 26) présente une forme trapézoïdale, chaque bord d’attaque (23a, 26a) et chaque bord de fuite (23b, 26b) des ailettes de la première pluralité d’ailettes et de la deuxième pluralité d’ailettes est incliné suivant un angle d’inclinaison (o1 , o2, 01 , 02) formé avec la surface radialement externe (24) de la paroi de support (22), l’angle d’inclinaison (a1 , 01) des bords d’attaque (23a, 26a) des ailettes étant comprise entre 20°et 80°.
8. Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le panneau (25) est disposé à une hauteur prédéterminée (hp) de la surface radialement externe (24) de la paroi de support (22), la hauteur prédéterminée (hp) étant donnée par le ratio 0.1 < 0.9, (e) étant
Figure imgf000020_0001
l’épaisseur du panneau (25), h1 étant la hauteur des ailettes (23) de la première pluralité d’ailettes et (h2) étant la hauteur des ailettes (26) la deuxième pluralité d’ailettes.
9. Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une première paroi (40) profilée disposée en amont des ailettes (23) et configurée de manière à guider et ralentir le premier flux d’air (F1) entrant dans l’échangeur de chaleur (21) à travers les 19 ailettes (23) et une deuxième paroi (42) profilée disposée en aval des ailettes (23) et configurées de manière à accélérer le premier flux d’air (F1) sortant de l’échangeur de chaleur (21 ), chaque première et deuxième paroi (40, 42) profilée étant fixée à la paroi de support (22) via des éléments de support (44) s’étendant radialement depuis la surface radialement externe (24), la première paroi (40) étant reliée en amont au panneau (25) et la deuxième paroi (42) étant reliée en aval au panneau (25). Echangeur de chaleur (21) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première paroi (40) profilée comprend une première extrémité (40a) formant avec la paroi de support (22) une entrée d’air présentant une première hauteur (hd) radiale et la deuxième paroi (42) profilée comprend une première extrémité (42a) formant avec la paroi de support (22) une sortie d’air présentant une deuxième hauteur (hc) radiale, le rapport entre la première hauteur (hd) et la deuxième hauteur (hc) étant compris entre 0.5 et 1 . Echangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un ou des canaux (50) agencés dans l’épaisseur du panneau (25), le ou les canaux (50) étant destiné à être relié(s) à un circuit (61) de circulation fluidique dans lequel circule un fluide destiné à refroidir et/ou lubrifier des organes et/ou équipement de la turbomachine (1 ). Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est réalisé par fabrication additive. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est du type surfacique air/huile. Module de turbomachine d’axe longitudinal X comprenant un carter (11 ) annulaire autour de l’axe longitudinal X dans lequel est destiné à circuler un flux d’air (F) et un échangeur de chaleur (21), selon l’une quelconque des revendications précédentes, qui est agencé dans le carter (13) annulaire. T urbomachine (1 ) comprenant au moins un échangeur de chaleur (21 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13 et/ou un module de turbomachine selon la revendication précédente.
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