WO2023213852A1 - Turbomachine à échangeur thermique entre un circuit de carburant et deux circuits de lubrifiant - Google Patents

Turbomachine à échangeur thermique entre un circuit de carburant et deux circuits de lubrifiant Download PDF

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WO2023213852A1
WO2023213852A1 PCT/EP2023/061624 EP2023061624W WO2023213852A1 WO 2023213852 A1 WO2023213852 A1 WO 2023213852A1 EP 2023061624 W EP2023061624 W EP 2023061624W WO 2023213852 A1 WO2023213852 A1 WO 2023213852A1
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WO
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circuit
conduits
channels
flow
fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/061624
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English (en)
Inventor
Anthony Julien BADALAMENTI
Mohammed-Lamine Boutaleb
Sébastien ORIOL
Original Assignee
Safran Aircraft Engines
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Publication date
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/14—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/18—Lubricating arrangements
    • F01D25/20—Lubricating arrangements using lubrication pumps
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2250/312—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being parallel to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/213—Heat transfer, e.g. cooling by the provision of a heat exchanger within the cooling circuit

Definitions

  • the invention relates to the cooling of fluids in a turbomachine.
  • turbomachines certain fluids, including for example engine oil or the oil of an electric generator, must be cooled.
  • the fuel from the turbomachine can be used as a cold source.
  • fuel is less and less abundant, so that another cold source may become necessary. It is possible to use outside air, but this second cold source may be insufficient for certain flight conditions. There is therefore a need for better management of fluid cooling in turbomachines.
  • One aim of the invention is to propose a turbomachine which allows better management of fluid cooling.
  • a turbomachine comprising a heat exchanger, a first circuit of a first fluid, the first circuit comprising two in the heat exchanger, a second circuit of a second fluid and a third circuit of a third fluid, each of the second circuit and the third circuit comprising a channel in the heat exchanger, each channel being contiguous to one of the conduits so as to be in thermal contact with one of the conduits, the channels being contiguous to each other so as to be in thermal contact with each other, the heat exchanger comprising a section in which the conduits and the channels are locally parallel to each other.
  • the first fluid is a fuel
  • the second fluid and the third fluid are lubricants
  • a high-pressure body a high-pressure electric generator driven by a shaft of the high-pressure body, a low-pressure body and a low-pressure electric generator driven by a shaft of the body low pressure
  • the lubricant circuits being an oil circuit of the high-pressure electric generator and an oil circuit of the low-pressure electric generator
  • each conduit is contiguous to one of the channels so as to be in thermal contact with one of the channels;
  • the heat exchanger is configured so that fuel flows in the conduits in a direction opposite to a direction of flow of lubricants in the channels;
  • the heat exchanger is configured so that fuel flows in one of the conduits in a direction opposite to a direction of fuel flow in the other of the conduits;
  • conduits and channels have circular walls with the same center in section
  • conduits and channels each have a polygonal profile in section, the profiles of the channels and conduits having the same number of sides;
  • the fuel circuit comprises a plurality of conduits in the heat exchanger and each lubricant circuit comprises a plurality of channels in the heat exchanger, the conduits and the channels forming a honeycomb structure, the exchanger being configured so that two channels of the same lubricant circuit are not contiguous and two conduits are not contiguous
  • the invention also relates to an aircraft comprising a turbomachine as just described.
  • the invention finally relates to a heat exchange method in a turbomachine comprising a step of generating two first flows of a first fluid, a step of generating a second flow of a second fluid and a third flow of a third fluid, the second flow and the third flow being in thermal contact with each other, the first two flows, the second flow and the third flow flowing in flow directions locally parallel to each other, each of the second flow and the third flow being in thermal contact with one of the first two flows.
  • the first fluid is a fuel
  • the second fluid and the third fluid are lubricants.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a turbomachine
  • FIG. 2 is a schematic representation of a heat exchanger according to one embodiment of the invention.
  • FIGS. 3 and 4 are schematic sections of a heat exchanger according to two embodiments of the invention.
  • a turbomachine is represented schematically, more specifically a dual flow axial turbojet 1.
  • the turbojet 1 illustrated extends along an axis A and successively comprises, in the direction of flow of the gases in the turbomachine, a fan 2, a compression section which may include a low pressure compressor 3 and a high pressure compressor 4, a combustion chamber 5, and a turbine section which may include a high pressure turbine 6, a low pressure turbine 7 and an exhaust nozzle.
  • blower 2 and the low pressure compressor 3 are driven in rotation by the low pressure turbine 7 via a first transmission shaft 9, while the high pressure compressor 4 is driven in rotation by the high pressure turbine 6 by via a second transmission shaft 10.
  • a flow of air compressed by the low and high pressure compressors 3 and 4 feeds combustion in the combustion chamber 5, the expansion of the combustion gases drives the high and low pressure turbines 6, 7.
  • air propelled by the fan 2 and the combustion gases leaving the turbojet 1 through an exhaust nozzle downstream of the turbines 6, 7 exert a reaction thrust on the turbojet 1 and, through it, on a vehicle or machine such than an aircraft (not shown).
  • the turbomachine 1 comprises a heat exchanger 11 configured to ensure thermal exchanges between different fluid circuits involved in the operation of the turbomachine.
  • the turbomachine comprises a first circuit 13 of a first fluid which passes through the heat exchanger 11.
  • the first circuit comprises two conduits 31, 33 in the heat exchanger.
  • the two conduits are locally parallel. This means that the conduits are:
  • the second conduit comprises a second section which is closest to the first section, the second section defining a second direction of rectilinear flow parallel to the first direction.
  • the two conduits 31,33 are rectilinear and extend parallel to a direction A, so that a flow of fuel which passes through the conduits 31,33 flows parallel to the direction A.
  • the first circuit can for example be a fuel circuit 13 which notably comprises a fuel circulation system and a fuel metering system for supplying the combustion chamber.
  • FIG. 2 illustrates the case of a fuel circuit 13 which is normally an open circuit. Such a circuit is in contact with a tank 21 which is most often located outside the turbomachine, for example in a wing of the aircraft.
  • the fuel circuit 13 may include a pumping system 23 (or circulation system) configured to suck fuel from the tank towards the turbomachine and circulate it towards the heat exchanger 11.
  • the fuel circuit can also include a dosing system 25 configured to regulate the flow of fuel sent to the combustion chamber 27.
  • the first circuit can also be a loop of a supercritical CO2 circuit, a heat pump loop, a dihydrogen circuit, a heat transfer fluid circuit, etc.
  • the turbomachine also includes a second circuit 15 of a second fluid and a third circuit 17 of a third fluid.
  • Each of the second circuit and the third circuit passes through the heat exchanger 11. More precisely, each comprises a channel 51, 71 in the heat exchanger. In the section of the heat exchanger, or even in the entire heat exchanger, the two channels 51, 71 are locally parallel.
  • the second circuit 15 and the third circuit 17 can for example be two lubricant circuits 15, 17. Each comprises in particular a reservoir and a system for circulating the lubricant. Alternatively, the lubricant circuits 15 and 17 can constitute distinct sections of a single overall circuit of the same lubricant, for example parallel sections which have the same inlet and the same outlet.
  • the lubricant circuits may in particular be the engine oil circuit and the gearbox oil circuit.
  • the lubricant circuits can in particular be the oil circuit of the high-pressure electric generator and the oil circuit of the low-pressure electric generator.
  • Each of these electric generators produces electrical energy from the rotational movement of the shaft by which it is driven.
  • Each of these generators requires a lubrication circuit which needs to be cooled.
  • the lubricant circuits can be chosen from the engine oil circuit, the reducer oil circuit, the high-pressure electric generator oil circuit and the oil circuit of the low-pressure electric generator.
  • the second circuit or the third circuit can also be a loop of a supercritical CO2 circuit, a heat pump loop, a dihydrogen circuit, a heat transfer fluid circuit, etc.
  • the conduits 31, 33 and the channels 51, 71 are locally parallel to each other in the section of the heat exchanger, or even throughout the heat exchanger.
  • the conduits and channels may be curvilinear so as to limit the bulk of the heat exchanger or so as to adapt the shape of the heat exchanger to constraints linked to the direct environment of the heat exchanger. exchanger or constraints linked to the installation of the heat exchanger in the turbomachine.
  • the heat exchanger 11 is configured to bring each channel into thermal contact with one of the conduits and the two channels with each other.
  • Each channel 51, 71 is contiguous to one of the conduits 31, 33 so as to be in thermal contact with one of the conduits 31, 33.
  • the channels 51, 71 are contiguous to each other so as to be in thermal contact with each other.
  • each conduit 31, 33 is also contiguous to one of the channels 51, 71 so as to be in thermal contact with this channel.
  • the heat exchanger 11 can be adapted according to different fluid circulation configurations.
  • the exchanger 11 is configured so that fuel flows in the conduits 31, 33 in a direction opposite to a direction of flow of the lubricants in the channels 51, 71.
  • the lubricants flow through the two channels in one and the same second direction opposite the first direction.
  • the heat exchanger 11 is configured so that fuel flows in one of the conduits in a direction opposite to a direction of fuel flow in the other of the conduits.
  • the lubricants can flow through both channels in one and the same direction, or else
  • - lubricant can flow through one of the two channels in a first direction and lubricant can flow through the other of the two channels in a second direction opposite the first direction.
  • the relative circulation of flows is defined according to the powers to be exchanged between them. For example, if it is most often necessary to ensure a greater heat exchange between a first flow of lubricant and the flow of fuel that between the second lubricant flow and the fuel flow, it is possible to put the first lubricant flow countercurrent to the fuel flows and the second lubricant flow. In this case :
  • the first flow of lubricant flows through one of the two channels in a second direction opposite the first direction
  • Contiguity between two channels or conduits can be achieved in different ways.
  • conduits 31, 33 and the channels 51, 71 have circular walls with the same center in section.
  • in section here designates a section plane perpendicular to the direction of extension A of the conduits 31, 33 and the channels 51, 71, the direction of extension A defining the direction of flow of fluids through channels and led. This is also the direction in which the channels and conduits are parallel to each other.
  • the exchanger In a plane perpendicular to direction A, the exchanger comprises four circular walls 41, 43, 45 and 47. These walls are centered in one, so that they are concentric.
  • the first wall 41 of smaller diameter defines the interior side of the conduit 31. In other words, the flow of fuel which flows through the conduit 31 flows inside the first circular wall 41.
  • the second wall 43 directly surrounds the first wall 41, that is to say that the second wall 43 has a diameter greater than the diameter of the first wall 41 and it faces the first wall 41.
  • the annular cavity located between the walls 41 and 43 define the channel 51. In other words the flow of lubricant which flows through the channel 51 flows inside the second circular wall 43 and outside the first wall 41.
  • the third wall 45 directly surrounds the second wall 43, that is to say that the third wall 45 has a diameter greater than the diameter of the second wall 43 and it faces the second wall 43.
  • the annular cavity located between the walls 43 and 45 define the channel 71. In other words the flow of lubricant which flows through the channel 71 flows inside the third circular wall 45 and outside the second wall 43.
  • the fourth wall 47 directly surrounds the third wall 45, that is to say that the fourth wall 47 has a diameter greater than the diameter of the third wall 45 and it faces the third wall 45.
  • the annular cavity located between the walls 45 and 47 define the conduit 33. In other words the flow of lubricant which flows through the conduit 33 flows inside the fourth circular wall 47 and outside the third wall 45.
  • the conduits and the channels each have a polygonal profile in section, the profiles of the channels and the conduits having the same number of sides.
  • the exchanger In a plane perpendicular to direction A, the exchanger includes different rectilinear walls which define polygonal profiles of the conduits and channels.
  • each channel or conduit is a triangle.
  • Certain rectilinear walls, that is to say certain sides of a triangle can separate a channel from another channel or a channel from a conduit. Such a side can bring the two channels or the channel and the conduit into thermal contact.
  • each channel or conduit is a rectangle.
  • Certain rectilinear walls that is to say certain sides of a rectangle, can separate a channel from another channel or a channel from a conduit. Such a side can bring the two channels or the channel and the conduit into thermal contact.
  • each channel or conduit is a hexagon, and the different hexagons defined are all of the same size.
  • the fuel circuit comprises a plurality of conduits 35 in the heat exchanger. They are colored by the same level of gray in Figure 4.
  • Each lubricant circuit comprises a plurality of channels in the heat exchanger, respectively channels 53 for a first lubricant circuit and channels 73 for a second lubricant circuit.
  • Channels 53 are colored by the same level of gray, darker than for conduits 35.
  • Channels 73 are colored by the same level of gray, darker than for channels 53 in Figure 4.
  • the conduits 35 and the channels 53, 73 form a honeycomb structure.
  • the exchanger can be configured so that two channels of the same lubricant circuit are not contiguous and two conduits are not contiguous. This situation is represented in Figure 4 and according to this: - each conduit 35 is contiguous to one, two or three channels 53, and contiguous to one, two or three channels 73,
  • each channel 53 is contiguous to one, two or three conduits 35, and contiguous to one, two or three channels 73, and
  • each channel 73 is contiguous to one, two or three conduits 35, and contiguous to one, two or three channels 53.
  • the heat exchange surfaces within the heat exchanger are distributed equitably between the different pairs of fuel/first lubricant, fuel/second lubricant and first lubricant/second lubricant.
  • a turbomachine comprising a heat exchanger as just presented makes it possible to implement a method according to the invention to carry out thermal exchanges between two lubricant circuits and a fuel circuit.
  • first flows of a first fluid are produced. More precisely, the circuit of this first fluid is configured to circulate the first fluid in two separate and locally parallel flows. These two flows flow for example through the two conduits 31, 35 of the first fuel circuit inside the heat exchanger 11.
  • a second flow of a second fluid and a third flow of a third fluid are produced.
  • each circuit of the second fluid and the third fluid is configured to circulate a second fluid or a third fluid in two separate and locally parallel flows.
  • each of the second flow and the third flow is in thermal contact with one of the first two flows. This is notably obtained by requiring that each channel 51, 71 is contiguous to one of the conduits 31, 33.
  • the thickness and nature of material in the heat exchanger which separates the channel and the conduit are adapted to allow thermal exchanges.
  • a preferred mode corresponds to the case where the first fluid is a fuel, and the second fluid and the third fluid are lubricants.
  • the lubricant flows can change role depending on the point of flight.
  • turbomachine comprising a high-pressure body, a low-pressure body, a high-pressure electric generator driven by the shaft of the high-pressure body and a low-pressure electric generator driven by the shaft of the low body.
  • a turbomachine comprising a high-pressure body, a low-pressure body, a high-pressure electric generator driven by the shaft of the high-pressure body and a low-pressure electric generator driven by the shaft of the low body.
  • lubricant circuits passing through the heat exchanger such as the oil circuit of the high-pressure electric generator and the oil circuit of the low-pressure electric generator.
  • the lubrication circuit of the low-pressure electric generator needs to be cooled while the lubrication circuit of the high-pressure electric generator does not have this need.
  • the lubrication circuit of the low-pressure electric generator plays the role of hot source while the lubrication circuit of the high-pressure electric generator plays the role of cold source within the heat exchanger.

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Abstract

Turbomachine comprenant un échangeur thermique (11), un premier circuit (13) d'un premier fluide, le premier circuit (13) comprenant deux conduits (31, 33) dans l'échangeur thermique (11), un deuxième circuit (15) d'un deuxième fluide et un troisième circuit (17) d'un troisième fluide, chacun du deuxième circuit et du troisième circuit comprenant un canal (51, 71) dans l'échangeur thermique (11), chaque canal (51, 71) étant contigu à un des conduits (31, 33) de sorte à être en contact thermique avec l'un des conduits (31, 33), les canaux (51, 71) étant contigus l'un à l'autre de sorte à être en contact thermique entre eux, l'échangeur thermique (11) comprenant une section dans laquelle les conduits (31, 33) et les canaux (51, 71) sont localement parallèles entre eux.

Description

Turbomachine à échangeur thermique entre un circuit de carburant et deux circuits de lubrifiant
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne le refroidissement de fluides dans une turbomachine.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans les turbomachines certains fluides, dont par exemple l’huile du moteur ou l’huile d’un générateur électrique, doivent être refroidis. Le carburant de la turbomachine peut être utilisé comme source froide. Les moteurs consommant de moins en moins, le carburant est de moins en moins abondant, de sorte qu’une autre source froide peut devenir nécessaire. Il est possible d’utiliser l’air extérieur, mais cette seconde source froide peut être insuffisante pour certaines conditions de vol. Il existe donc un besoin d’une meilleure gestion du refroidissement des fluides dans les turbomachines.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de proposer une turbomachine qui permet une meilleure gestion du refroidissement des fluides.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une turbomachine comprenant un échangeur thermique, un premier circuit d’un premier fluide, le premier circuit comprenant deux dans l’échangeur thermique, un deuxième circuit d’un deuxième fluide et un troisième circuit d’un troisième fluide, chacun du deuxième circuit et du troisième circuit comprenant un canal dans l’échangeur thermique, chaque canal étant contigu à un des conduits de sorte à être en contact thermique avec l’un des conduits, les canaux étant contigus l’un à l’autre de sorte à être en contact thermique entre eux, l’échangeur thermique comprenant une section dans laquelle les conduits et les canaux sont localement parallèles entre eux.
Un tel système/procédé est avantageusement et optionnellement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
- le premier fluide est un carburant, le deuxième fluide et le troisième fluide sont des lubrifiants ;
- un corps haute-pression, un générateur électrique haute pression entraîné par un arbre du corps haute-pression, un corps basse-pression et un générateur électrique basse pression entraîné par un arbre du corps basse-pression, les circuits de lubrifiant étant un circuit d’huile du générateur électrique haute-pression et un circuit d’huile du générateur électrique basse-pression ;
- chaque conduit est contigu à un des canaux de sorte à être en contact thermique avec l’un des canaux ;
- l’échangeur thermique est configuré pour que du carburant s’écoule dans les conduits selon un sens opposé à un sens d’écoulement des lubrifiants dans les canaux ;
- l’échangeur thermique est configuré pour que du carburant s’écoule dans l’un des conduits selon un sens opposé à un sens d’écoulement du carburant dans l’autre des conduits ;
- les conduits et les canaux présentent en section des parois circulaires de même centre ;
- les conduits et les canaux présentent chacun en section un profil polygonal, les profils des canaux et des conduits ayant un même nombre de cotés ;
- le circuit de carburant comprend une pluralité de conduits dans l’échangeur thermique et chaque circuit de lubrifiant comprend une pluralité de canaux dans l’échangeur thermique, les conduits et les canaux formant une structure en nid d’abeille, l’échangeur étant configuré de sorte que deux canaux d’un même circuit de lubrifiant ne sont pas contigus et que deux conduits ne sont pas contigus
L’invention porte également sur un aéronef comprenant une turbomachine telle qu’on vient de la décrire.
L’invention porte enfin sur un procédé d’échange thermique dans une turbomachine comprenant une étape de génération de deux premiers flux d’un premier fluide, une étape de génération d’un deuxième flux d’un deuxième fluide et d’un troisième flux d’un troisième fluide, le deuxième flux et le troisième flux étant en contact thermique entre eux, les deux premiers flux, le deuxième flux et le troisième flux s’écoulant selon des directions d’écoulement localement parallèles entre elles, chacun du deuxième flux et du troisième flux étant en contact thermique avec un des deux premiers flux.
Un tel procédé est avantageusement et optionnellement complété par la caractéristique suivante : le premier fluide est un carburant, le deuxième fluide et le troisième fluide sont des lubrifiants. DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’une turbomachine ;
- la figure 2 est une représentation schématique d’un échangeur thermique selon un mode de réalisation de l’invention ; et
- les figures 3 et 4 sont des coupes schématiques d’un échangeur thermique selon deux modes de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Turbomachine - Présentation générale
En référence à la figure 1 , une turbomachine est représentée de manière schématique, plus spécifiquement un turboréacteur axial 1 à double flux. Le turboréacteur 1 illustré s’étend selon un axe A et comporte successivement, dans le sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine, une soufflante 2, une section de compression pouvant comprendre un compresseur basse pression 3 et un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, et une section de turbine pouvant comprendre une turbine haute pression 6 une turbine basse pression 7 et une tuyère d’échappement.
La soufflante 2 et le compresseur basse pression 3 sont entraînés en rotation par la turbine basse pression 7 par l’intermédiaire d’un premier arbre de transmission 9, tandis que le compresseur haute pression 4 est entraîné en rotation par la turbine haute pression 6 par l’intermédiaire d’un deuxième arbre de transmission 10.
En fonctionnement, un écoulement d'air comprimé par les compresseurs basse et haute pression 3 et 4 alimente une combustion dans la chambre de combustion 5, dont l'expansion des gaz de combustion entraîne les turbines haute et basse pression 6, 7. L'air propulsé par la soufflante 2 et les gaz de combustion sortant du turboréacteur 1 à travers une tuyère d’échappement en aval des turbines 6, 7 exercent une poussée de réaction sur le turboréacteur 1 et, à travers lui, sur un véhicule ou engin tel qu'un aéronef (non illustré).
Figure imgf000005_0001
En rapport avec la figure 2, la turbomachine 1 comprend un échangeur thermique 11 configuré pour assurer des échanges thermiques entre différents circuits de fluide impliqués dans le fonctionnement de la turbomachine.
La turbomachine comprend un premier circuit 13 d’un premier fluide qui traverse l’échangeur thermique 11 .
Plus précisément le premier circuit comprend deux conduits 31 , 33 dans l’échangeur thermique.
Dans une section de l’échangeur thermique, voire dans l’ensemble de l’échangeur thermique les deux conduits sont localement parallèles. Cela signifie que les conduits sont :
- rectilignes et parallèles, ou
- curvilignes et que pour chaque premier tronçon d’un conduit définissant une première direction d’écoulement rectiligne, le deuxième conduit comprend un deuxième tronçon qui est le plus proche du premier tronçon, le deuxième tronçon définissant une deuxième direction d’écoulement rectiligne parallèle à la première direction.
Par exemple, les deux conduits 31 ,33 sont rectilignes et s’étendent parallèlement à une direction A, de sorte qu’un flux de carburant qui traverse les conduits 31 ,33 s’écoule parallèlement à la direction A.
Le premier circuit peut par exemple être un circuit de carburant 13 qui comprend notamment un système de mise en circulation du carburant et un système de dosage du carburant pour l’alimentation de la chambre de combustion.
La figure 2 illustre le cas d’un circuit de carburant 13 qui est normalement un circuit ouvert. Un tel circuit est en contact avec un réservoir 21 qui se situe le plus souvent en dehors de la turbomachine, par exemple dans une aile de l’aéronef. Le circuit de carburant 13 peut comprendre un système de pompage 23 (ou système de mise en circulation) configuré pour aspirer du carburant du réservoir vers la turbomachine et le mettre en circulation vers l’échangeur thermique 11 .
Le circuit de carburant peut également comprendre un système de dosage 25 configuré pour réguler le débit de carburant envoyé vers la chambre de combustion 27.
Le premier circuit peut également être une boucle d’un circuit de CO2 supercritique, une boucle de pompe à chaleur, un circuit de dihydrogène, un circuit d’une fluide caloporteur, etc...
La turbomachine comprend également un deuxième circuit 15 d’un deuxième fluide et un troisième circuit 17 d’un troisième fluide.
Chacun du deuxième circuit et du troisième circuit traverse l’échangeur thermique 11. Plus précisément chacun comprend un canal 51 , 71 dans l’échangeur thermique. Dans la section de l’échangeur thermique, voire dans l’ensemble de l’échangeur thermique, les deux canaux 51 ,71 sont localement parallèles.
Le deuxième circuit 15 et le troisième circuit 17 peuvent par exemple être deux circuits de lubrifiants 15, 17. Chacun comprend notamment un réservoir et un système de mise en circulation du lubrifiant. En variante les circuits de lubrifiant 15 et 17 peuvent constituer des sections distinctes d’un seul circuit global d’un même lubrifiant, par exemple des sections parallèles qui présentent une même entrée et une même sortie.
Dans une turbomachine comprenant un réducteur de vitesse d’une soufflante, les circuits de lubrifiant peuvent notamment être le circuit d’huile moteur et le circuit d’huile du réducteur.
Dans une turbomachine comprenant un corps haute-pression et un corps basse-pression ainsi qu’un générateur électrique haute pression entraîné par le premier arbre de transmission 10 du corps haute-pression et un générateur électrique basse pression entraîné par le deuxième arbre de transmission 9 du corps basse-pression, les circuits de lubrifiant peuvent notamment être le circuit d’huile du générateur électrique haute-pression et le circuit d’huile du générateur électrique basse-pression. Chacun de ces générateurs électriques produit de l’énergie électrique à partir du mouvement de rotation de l’arbre par lequel il est entraîné. Chacun de ces générateurs nécessite un circuit de lubrification qui requiert d’être refroidi.
Dans une turbomachine comprenant un réducteur de vitesse d’une soufflante ainsi qu’un corps haute-pression, un corps basse-pression, un générateur électrique haute pression entraîné par l’arbre du corps haute- pression et un générateur électrique basse pression entraîné par l’arbre du corps basse-pression, les circuits de lubrifiant peuvent être choisis parmi le circuit d’huile moteur, le circuit d’huile du réducteur, le circuit d’huile du générateur électrique haute-pression et le circuit d’huile du générateur électrique basse-pression.
Le deuxième circuit ou le troisième circuit peut également être une boucle d’un circuit de CO2 supercritique, une boucle de pompe à chaleur, un circuit de dihydrogène, un circuit d’un fluide caloporteur, etc...
Les conduits 31 , 33 et les canaux 51 , 71 sont localement parallèles entre eux dans la section de l’échangeur thermique, voire dans tout l’échangeur thermique.
En particulier, il peut être préférable que les conduits et les canaux soient curvilignes de sorte à limiter l’encombrement de l’échangeur thermique ou de sorte à adapter la forme de l’échangeur thermique à des contraintes liées à l’environnement direct de l’échangeur ou des contraintes liées à l’installation de l’échangeur thermique dans la turbomachine. L’échangeur thermique 11 est configuré pour mettre en contact thermique chaque canal avec un des conduits et les deux canaux entre eux. Chaque canal 51 , 71 est contigu à l’un des conduits 31 , 33 de sorte à être en contact thermique avec l’un des conduits 31 , 33.
Les canaux 51 , 71 sont contigus l’un à l’autre de sorte à être en contact thermique entre eux.
La proximité des canaux ou conduits contigus et la matière de l’échangeur qui les sépare permet de réaliser des échanges thermiques entre flux de carburant/flux de lubrifiant et entre les flux de lubrifiant.
En permettant des échanges thermiques entre deux circuits de lubrifiants indépendants, on peut utiliser un seul échangeur thermique au lieu de deux échangeurs. Cela permet notamment de diminuer les coûts de fabrication, la masse de la turbomachine ainsi que l’encombrement.
Par ailleurs il est possible selon le point de vol d’exploiter un des flux du deuxième circuit ou du troisième circuit comme une source froide.
En option, chaque conduit 31 , 33 est également contigu à l’un des canaux 51 , 71 de sorte à être en contact thermique avec ce canal.
L’échangeur thermique 11 peut être adapté selon différentes configurations de circulation des fluides.
Dans une première variante, l’échangeur 11 est configuré pour que du carburant s’écoule dans les conduits 31 , 33 selon un sens opposé à un sens d’écoulement des lubrifiants dans les canaux 51 , 71. Dans cette première variante :
- le carburant s’écoule à travers les deux conduits dans un seul et même premier sens, et
- les lubrifiants s’écoulent à travers les deux canaux dans un seul et même deuxième sens opposé au premier sens.
Dans une deuxième variante, l’échangeur thermique 11 est configuré pour que du carburant s’écoule dans l’un des conduits selon un sens opposé à un sens d’écoulement du carburant dans l’autre des conduits.
Le carburant s’écoule à travers les conduits selon des sens opposés. Dans cette deuxième variante :
- les lubrifiants peuvent s’écoulent à travers les deux canaux dans un seul et même sens, ou bien
- du lubrifiant peut s’écouler à travers l’un des deux canaux dans un premier sens et du lubrifiant peut s’écouler à travers l’autre des deux canaux dans un deuxième sens opposé au premier sens.
D’autres variantes en rapport avec les sens de circulation des flux dans l’échangeur sont envisageables. D’une manière générale, la circulation relative des flux est définie en fonction des puissances à échanger entre eux. Par exemple, s’il est le plus souvent nécessaire d’assurer un échange thermique plus important entre un premier flux de lubrifiant et le flux de carburant qu’entre le deuxième flux de lubrifiant et le flux de carburant, il est possible de mettre le premier flux de lubrifiant à contre-courant des flux de carburant et du deuxième flux de lubrifiant. Dans ce cas :
- le carburant s’écoule à travers les deux conduits dans un seul et même premier sens,
- le premier flux de lubrifiant s’écoule à travers un des deux canaux dans un deuxième sens opposé au premier sens, et
- le deuxième flux de lubrifiant s’écoule à travers l’autre des deux canaux dans le même premier sens.
Formes des conduits et canaux
La contiguïté entre deux canaux ou conduits peut être réalisée de différentes manières.
Dans un premier mode de réalisation, en rapport avec la figure 3, les conduits 31 , 33 et les canaux 51 , 71 présentent en section des parois circulaires de même centre.
L’expression « en section » désigne ici un plan de coupe perpendiculaire à la direction d’extension A des conduits 31 , 33 et des canaux 51 , 71 , la direction d’extension A définissant la direction d’écoulement des fluides à travers canaux et conduits. C’est également la direction selon laquelle les canaux et les conduits sont parallèles entre eux.
Dans un plan perpendiculaire à la direction A, l’échangeur comprend quatre parois circulaires 41 , 43, 45 et 47. Ces parois sont centrées en un même, de sorte qu’elles sont concentriques.
La première paroi 41 de plus faible diamètre définit côté intérieur le conduit 31. Autrement dit le flux de carburant qui s’écoule à travers le conduit 31 s’écoule à l’intérieur de la première paroi circulaire 41 .
La deuxième paroi 43 entoure directement la première paroi 41 , c’est-à- dire que la deuxième paroi 43 est de diamètre supérieur au diamètre de la première paroi 41 et elle est en regard de la première paroi 41. La cavité annulaire située entre les parois 41 et 43 définit le canal 51. Autrement dit le flux de lubrifiant qui s’écoule à travers le canal 51 s’écoule à l’intérieur de la deuxième paroi circulaire 43 et à l’extérieur de la première paroi 41 .
La troisième paroi 45 entoure directement la deuxième paroi 43, c’est-à- dire que la troisième paroi 45 est de diamètre supérieur au diamètre de la deuxième paroi 43 et elle est en regard de la deuxième paroi 43. La cavité annulaire située entre les parois 43 et 45 définit le canal 71. Autrement dit le flux de lubrifiant qui s’écoule à travers le canal 71 s’écoule à l’intérieur de la troisième paroi circulaire 45 et à l’extérieur de la deuxième paroi 43. La quatrième paroi 47 entoure directement la troisième paroi 45, c’est-à- dire que la quatrième paroi 47 est de diamètre supérieur au diamètre de la troisième paroi 45 et elle est en regard de la troisième paroi 45. La cavité annulaire située entre les parois 45 et 47 définit le conduit 33. Autrement dit le flux de lubrifiant qui s’écoule à travers le conduit 33 s’écoule à l’intérieur de la quatrième paroi circulaire 47 et à l’extérieur de la troisième paroi 45.
Dans un deuxième mode de réalisation, les conduits et les canaux présentent chacun en section un profil polygonal, les profils des canaux et des conduits ayant un même nombre de cotés.
Dans un plan perpendiculaire à la direction A, l’échangeur comprend différentes parois rectilignes qui définissent des profils polygonaux des conduits et des canaux.
Par exemple, le profil de chaque canal ou conduit est un triangle. Certaines parois rectilignes, c’est-à-dire certains côtés d’un triangle, peuvent séparer un canal d’un autre canal ou un canal d’un conduit. Un tel côté peut mettre en contact thermique les deux canaux ou le canal et le conduit.
Par exemple, le profil de chaque canal ou conduit est un rectangle. Certaines parois rectilignes, c’est-à-dire certains côtés d’un rectangle, peuvent séparer un canal d’un autre canal ou un canal d’un conduit. Un tel côté peut mettre en contact thermique les deux canaux ou le canal et le conduit.
Dans un troisième exemple en rapport avec la figure 4, le profil de chaque canal ou conduit est un hexagone, et les différents hexagones définis sont tous de la même taille.
Dans ce troisième exemple, le circuit de carburant comprend une pluralité de conduits 35 dans l’échangeur thermique. Ils sont colorés par le même niveau de gris en figure 4.
Chaque circuit de lubrifiant comprend une pluralité de canaux dans l’échangeur thermique respectivement les canaux 53 pour un premier circuit de lubrifiant et les canaux 73 pour un deuxième circuit de lubrifiant. Les canaux 53 sont colorés par un même niveau de gris plus sombre que pour les conduits 35. Les canaux 73 sont colorés par un même niveau de gris plus sombre que pour les canaux 53 en figure 4.
Les conduits 35 et les canaux 53, 73 forment une structure en nid d’abeille.
L’échangeur peut être configuré de sorte que deux canaux d’un même circuit de lubrifiant ne sont pas contigus et que deux conduits ne sont pas contigus. Cette situation est représentée en figure 4 et selon celle-ci : - chaque conduit 35 est contigu à un, deux ou trois canaux 53, et contigu à un, deux ou trois canaux 73,
- chaque canal 53 est contigu à un, deux ou trois conduits 35, et contigu à un, deux ou trois canaux 73, et
- chaque canal 73 est contigu à un, deux ou trois conduits 35, et contigu à un, deux ou trois canaux 53.
Dans ce cas, les surfaces d’échange thermique au sein de l’échangeur thermique sont réparties équitablement entre les différents couples carburant/premier lubrifiant, carburant/deuxième lubrifiant et premier lubrifiant/deuxième lubrifiant.
Dans une autre configuration de l’échangeur présentant la structure en nid d’abeille, on peut également augmenter la surface d’échange thermique pour un de ces couples par rapport à deux autres. Pour cela, on peut remplacer un conduit par un canal, un canal du premier lubrifiant par un canal du deuxième lubrifiant.
Les différentes formes d’échangeur évoquées ici peuvent notamment être réalisées par fabrication additive. Elles peuvent aussi être réalisées selon des procédés de fabrication plus traditionnels.
Procédé d’échange thermique
Une turbomachine comprenant un échangeur thermique comme on vient de le présenter permet de mettre en oeuvre un procédé selon l'invention pour réaliser des échanges thermiques entre deux circuits de lubrifiant et un circuit de carburant.
Nous allons présenter un mode de mise en oeuvre de ce procédé.
Au cours d’une première étape E1 du procédé on produit deux premiers flux d’un premier fluide. Plus précisément le circuit de ce premier fluide est configuré pour faire circuler le premier fluide selon deux flux séparés et localement parallèles. Ces deux flux s’écoulent par exemple à travers les deux conduits 31 , 35 du premier circuit de carburant à l’intérieur de l’échangeur thermique 11 .
Au cours d’une deuxième étape E2 du procédé on produit un deuxième flux d’un deuxième fluide et d’un troisième flux d’un troisième fluide.
Plus précisément, chaque circuit du deuxième fluide et du troisième fluide est configuré pour faire circuler un deuxième fluide ou un troisième fluide selon deux flux séparés et localement parallèles.
Ces deux flux s’écoulent par exemple à travers deux canaux 51 , 71 , chaque canal étant compris dans un des deuxième ou troisième circuits à l’intérieur de l’échangeur thermique 11 . Le deuxième flux et le troisième flux sont en contact thermique. Cela est notamment obtenu en imposant les canaux 51 , 71 contigus. L’épaisseur et la nature de matière dans l’échangeur thermique qui sépare les canaux 51 , 71 sont adaptées pour permettre des échanges thermiques entre le deuxième flux et le troisième flux.
Les deux premiers flux, le deuxième flux et le troisième flux s’écoulent selon des directions d’écoulement localement parallèles entre elles.
De plus, chacun du deuxième flux et du troisième flux est en contact thermique avec un des deux premiers flux. Cela est notamment obtenu en imposant que chaque canal 51 , 71 est contigu à un des conduits 31 , 33. L’épaisseur et la nature de matière dans l’échangeur thermique qui sépare le canal et le conduit sont adaptées pour permettre les échanges thermiques.
Un mode préféré correspond au cas où le premier fluide est un carburant, et le deuxième fluide et le troisième fluide sont des lubrifiants.
Dans ce mode préféré, quel que soit le point de vol, le flux de carburant joue toujours le rôle de source froide au sein de l’échangeur.
En revanche, les flux de lubrifiant peuvent eux changer de rôle selon le point de vol.
On considère le cas d’une turbomachine comprenant un corps haute- pression, un corps basse-pression, un générateur électrique haute pression entraîné par l’arbre du corps haute-pression et un générateur électrique basse pression entraîné par l’arbre du corps basse-pression. On choisit les circuits de lubrifiant passant par l’échangeur thermique comme le circuit d’huile du générateur électrique haute-pression et le circuit d’huile du générateur électrique basse-pression.
Il se trouve que ces circuits de lubrification ont des besoins de refroidissement différents selon le point de fonctionnement de la turbomachine ou de l’aéronef.
Afin d’illustrer le propos précédent, considérons à titre d’exemple un premier point de fonctionnement pour lequel l’aéronef est au sol un jour chaud. Dans ce cas, le circuit de lubrification du générateur électrique basse-pression nécessite d’être refroidi alors que le circuit de lubrification du générateur électrique haute-pression ne présente pas ce besoin. Pour cette situation, le circuit de lubrification du générateur électrique basse- pression joue le rôle de source chaude alors que le circuit de lubrification du générateur électrique haute-pression joue le rôle de source froide au sein de l’échangeur thermique.
Toujours à titre d’exemple, considérons un deuxième point de fonctionnement correspondant au cas où l’aéronef est en montée maximale, typiquement après le décollage pour atteindre une altitude de sécurité. Dans ce cas, c’est le circuit de lubrification du générateur électrique haute-pression qui nécessite d’être refroidi alors que le circuit de lubrification du générateur électrique basse-pression ne présente pas ce besoin. Pour cette situation, le circuit de lubrification du générateur électrique haute-pression joue le rôle de source chaude alors que le circuit de lubrification du générateur électrique basse-pression joue le rôle de source froide au sein de l’échangeur thermique.
Il devient ainsi possible d’exploiter toutes les sources froides disponibles afin de refroidir les flux de lubrifiant grâce à l’échangeur thermique permettant des échanges de chaleurs entre 3 fluides.

Claims

REVENDICATIONS
1. Turbomachine comprenant :
- un échangeur thermique (11 ),
- un premier circuit (13) d’un premier fluide, le premier circuit (13) comprenant deux conduits (31 , 33) dans l’échangeur thermique (11 ),
- un deuxième circuit (15) d’un deuxième fluide et
- un troisième circuit (17) d’un troisième fluide, chacun du deuxième circuit et du troisième circuit comprenant un canal (51 , 71 ) dans l’échangeur thermique (11 ), chaque canal (51 , 71 ) étant contigu à un des conduits (31 , 33) de sorte à être en contact thermique avec l’un des conduits (31 , 33), les canaux (51 , 71 ) étant contigus l’un à l’autre de sorte à être en contact thermique entre eux, l’échangeur thermique (11 ) comprenant une section dans laquelle les conduits (31 , 33) et les canaux (51 , 71 ) sont localement parallèles entre eux.
2. Turbomachine selon la revendication 1 dans laquelle le premier fluide est un carburant, le deuxième fluide et le troisième fluide sont des lubrifiants.
3. Turbomachine selon la revendication 2 comprenant un corps haute- pression, un générateur électrique haute pression entraîné par un arbre du corps haute-pression, un corps basse- pression et un générateur électrique basse pression entraîné par un arbre du corps basse-pression, les circuits de lubrifiant étant un circuit d’huile du générateur électrique haute-pression et un circuit d’huile du générateur électrique basse- pression.
4. Turbomachine selon l’une des revendications 2 ou 3 dans laquelle chaque conduit (31 , 33) est contigu à un des canaux (51 , 71 ) de sorte à être en contact thermique avec l’un des canaux (51 , 71 ).
5. Turbomachine selon l’une des revendications 2 à 4 dans laquelle l’échangeur thermique (11 ) est configuré pour que du carburant s’écoule dans les conduits (31 , 33) selon un sens opposé à un sens d’écoulement des lubrifiants dans les canaux (51 , 71 ).
6. Turbomachine selon l’une des revendications 2 à 4 dans laquelle l’échangeur thermique (11 ) est configuré pour que du carburant s’écoule dans l’un des conduits selon un sens opposé à un sens d’écoulement du carburant dans l’autre des conduits.
7. Turbomachine selon l’une des revendications 2 à 6 dans laquelle les conduits (31 , 33) et les canaux (51 , 71 ) présentent en section des parois circulaires de même centre.
8. Turbomachine selon l’une des revendications 2 à 6 dans laquelle les conduits et les canaux présentent chacun en section un profil polygonal, les profils des canaux et des conduits ayant un même nombre de cotés.
9. Turbomachine selon la revendication 8 dans laquelle le circuit de carburant comprend une pluralité de conduits dans l’échangeur thermique et chaque circuit de lubrifiant comprend une pluralité de canaux dans l’échangeur thermique, les conduits et les canaux formant une structure en nid d’abeille, l’échangeur étant configuré de sorte que deux canaux d’un même circuit de lubrifiant ne sont pas contigus et que deux conduits ne sont pas contigus.
10. Aéronef comprenant une turbomachine selon l’une des revendications précédentes.
11. Procédé d’échange thermique dans une turbomachine comprenant une étape de génération de deux premiers flux d’un premier fluide, une étape de génération d’un deuxième flux d’un deuxième fluide et d’un troisième flux d’un troisième fluide, le deuxième flux et le troisième flux étant en contact thermique entre eux, les deux premiers flux, le deuxième flux et le troisième flux s’écoulant selon des directions d’écoulement localement parallèles entre elles, chacun du deuxième flux et du troisième flux étant en contact thermique avec un des deux premiers flux.
12. Procédé d’échange thermique selon la revendication 11 dans lequel le premier fluide est un carburant, le deuxième fluide et le troisième fluide sont des lubrifiants.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5048597A (en) * 1989-12-18 1991-09-17 Rockwell International Corporation Leak-safe hydrogen/air heat exchanger in an ACE system
US20210102492A1 (en) * 2019-10-03 2021-04-08 General Electric Company Heat Exchanger with Active Buffer Layer

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