CA3046730C - Circuit fluidique dans une turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un ensemble pour turbomachine comprenant un circuit d'huile (24) comportant un échangeur thermique air/huile (31), une conduite primaire (26) de dérivation reliant une entrée de l'échangeur thermique air/huile (31) à une sortie de l'échangeur thermique air/huile (31) et entourant l'échangeur thermique air/huile (31) de manière à échanger de la chaleur avec l'échangeur thermique air/huile (31) et une conduite secondaire (28) de dérivation de la conduite primaire (26) reliant l'amont de la conduite primaire (26) de dérivation à l'aval de la conduite primaire (26) de dérivation, le circuit (24) comprenant également au moins une vanne (22) de commande du passage du débit d'huile dans les conduites primaire (26) et secondaire (28) de dérivation et des moyens de pilotage (35) de l'ouverture de ladite au moins une vanne (22) pour une température inférieure à une température seuil.

Description

1 CIRCUIT FLUIDIQUE DANS UNE TURBOMACHINE La presente invention concerne un circuit d'huile dans une turbomachine ainsi qu'une turbomachine equipee d'un tel circuit d'huile.

Comme tous les moteurs a combustion interne, les turbomachines, qu'il s'agisse de turboreacteurs ou de turbopropulseurs, comprennent des pieces mobiles qui frottent contre d'autres pieces mobiles ou contre des pieces fixes.

Pour ne pas se rompre a cause de l'echauffement d0 aux 10 frottements, les pieces sont arrosees d'huile qui permet d'une part de limiter (ou contenir) leur echauffement et, d'autre part, de les lubrifier pour faciliter le glissement des pieces les unes sur les autres.

L'huile circule dans un circuit 10 pourvu d'echangeurs thermiques, notamment des echangeurs huile/air 12, comme represente en figure 1, 15 ayant une matrice 14, sous la forme d'une conduite sinueuse conformee de maniere a realiser un echange de chaleur, dans laquelle l'huile provenant desdites pieces est introduite puis refroidie avant d'etre de nouveau injectee sur lesdites pieces.

Lors d'un demarrage d'une turbomachine en conditions froides 20 (par exemple avec une temperature inferieure a O°C), l'huile de la matrice 14 de l'echangeur air/huile 12 (ou des echangeurs le cas echant) peut etre gelee rendant difficile voire impossible l'echange thermique entre l'huile et l'air puisque l'huile ne peut circuler dans la matrice 14 de l'echangeur 12. II est alors necessaire de rechauffer prealablement la matrice 14 de l'echangeur 25 12 de chaleur air/huile.

Pour cela, ii est connu de pourvoir l'echangeur de chaleur 12 air/huile d'une conduite de derivation 16 servant de canal de decongelation et qui entoure la matrice 14 de l'echangeur 12 de chaleur air/huile de maniere a rechauffer l'huile gelee.

Cette conduite 16 de derivation est reliee a son 30 extremite amont a l'entree 18 de l'echangeur 12 de chaleur et a la sortie 20 de l'echangeur 12 de chaleur.

Le circuit d'huile 1 O comprend egalement une 2 vanne 22 de commande du debit d'huile dans la conduite de derivation 16 afin de n'autoriser la circulation d'huile dans la matrice 14 de l'echangeur 12 que lorsque la temperature est inferieure a un seuil predetermine.

Toutefois, la section de passage d'huile de la conduite de derivation 16 etant inferieure 5 a la section de passage d'huile dans l'echangeur de chaleur air/huile, ii existe une surpression dans le circuit d'huile lorsque la matrice 14 de l'echangeur 12 est gelee.

La surpression induit un risque d'endommagement du circuit d'huile 10.

Afin de reduire cette surpression, une solution evidente est 10 d'augmenter la section de passage de la conduite de derivation 16 de maniere a augmenter le debit sans pour autant modifier les conditions de pression de fonctionnement des pompes d'alimentation.

Toutefois, pour des raisons d'encombrement, !'augmentation de la section de passage de la conduite de derivation 16 n'est pas envisageable. 15 L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et economique ace probleme.

A cet effet, !'invention propose, un ensemble pour turbomachine comprenant un circuit d'huile comportant un echangeur thermique air/huile, une conduite primaire de derivation reliant une entree de l'echangeur 20 thermique air/huile a une sortie de l'echangeur thermique air/huile et entourant l'echangeur thermique air/huile de maniere a echanger de la chaleur avec l'echangeur thermique air/huile, et une conduite secondaire de derivation de la conduite primaire reliant l'amont de la conduite primaire de derivation a l'aval de la conduite primaire de derivation, le circuit comprenant 25 egalement au moins une vanne de commande du passage du debit d'huile dans les conduites primaire et secondaire de derivation et des moyens de pilotage de l'ouverture de ladite au moins une vanne pour une temperature inferieure a une temperature seuil.

Selon !'invention, l'ajout d'un conduit secondaire de derivation 30 permet de deriver une partie du fluide de la conduite de derivation primaire, ce qui permet de reduire la pression en fluide dans la conduite primaire de 3 derivation en conditions froides de fonctionnement. L'association d'une vanne de commande du passage du debit d'huile dans les conduites primaire et secondaire de derivation et de moyens de pilotage de l'ouverture de la vanne pour une temperature superieure a une temperature seuil, permet de 5 rendre operantes les conduites de derivation primaire et secondaire uniquement en conditions froides de fonctionnement, aucun debit d'huile ne circulant dans ces conduites lorsque la temperature est superieure a la temperature seuil predeterminee.

La perte de charge augmentant avec la diminution de la 10 temperature du fait de !'augmentation de la viscosite de l'huile, on comprend que l'ajout d'une conduite secondaire de derivation est particulierement utile.

Toutefois, cette conduite secondaire impacte peu la fonction de rechauffement de l'huile de l'echangeur air/huile par la conduite primaire. A titre d'exemple, une derivation de 30% du debit d'huile de la conduite 15 primaire de derivation dans la conduite secondaire de derivation permet de conserver un meme temps de decongelation avec l'echangeur de chaleur.

Selon une autre caracteristique de !'invention, !'ensemble comprend une seule vanne agencee en sortie de la conduite primaire de derivation et en aval de la sortie de la conduite secondaire de derivation. II 20 serait bien evidemment possible d'avoir une vanne pour chacune de la conduite de derivation primaire et de la conduite de derivation secondaire.

Toutefois, cela complique a !'evidence le montage.

Dans une autre realisation, l'unique vanne pourrait etre agencee en entree de la conduite primaire de derivation et en amont de l'entree de la 25 conduite secondaire de derivation.

La vanne de commande peut etre une vanne pouvant adopter au moins deux positions dont une premiere position ouverte autorise le passage d'huile et une seconde position fermee bloque le passage d'huile.

La temperature seuil est par exemple de l'ordre de 70°C.

Dans une autre realisation, la vanne de commande peut etre une vanne unidirectionnelle a deux voies pouvant adopter au moins deux 4 positions, une premiere position ouverte autorise le passage d'huile au travers de la vanne et une seconde position fermee bloque le passage d'huile au travers de la vanne, mais egalement des positions intermediaires.

Selon une autre caracteristique de !'invention, la conduite 5 secondaire de derivation peut presenter une longueur au moins dix fois inferieure a la longueur de la conduite primaire de derivation.

Egalement, le circuit comprend la conduite secondaire de derivation qui peut avoir un diametre au moins trois fois inferieur au diametre de la conduite primaire de derivation. 10 Le fait d'avoir une conduite secondaire de derivation plus courte et/ou ayant un diametre plus faible que la conduite primaire de derivation, selon les ratios precites, permet d'avoir une bonne repartition de debit entre la conduite primaire de derivation et la conduite secondaire de derivation afin d'abaisser la perte de charge dans la conduite primaire tout en assurant une 15 bonne decongelation de l'echangeur thermique.

En outre, une conduite secondaire de derivation plus courte et/ou ayant un diametre plus faible selon les ratios precites, permet d'eviter une surpression dans le circuit d'huile lorsque la matrice de l'echangeur d'huile est gelee sans avoir a augmenter la section de la conduite primaire de 20 derivation.

Ainsi, l'encombrement et la masse de la conduite primaire de derivation sont reduits.

Une conduite secondaire de derivation ayant une longueur plus faible sera privilegiee du fait de la reduction de masse induite.

De plus, cela s'avere tres avantageux lorsque l'entree et la sortie sont agencees a 25 proximite immediate l'une de l'autre.

Le diametre de la conduite secondaire de derivation est ainsi ajuste en fonction de la longueur de la conduite de maniere a assurer une bonne repartition du flux d'huile dans les conduites primaire et secondaire de derivation.

L'invention concerne encore une turbomachine comprenant un 30 circuit d'huile tel que decrit precedemment, dans laquelle l'echangeur thermique huile/air delimite radialement vers l'exterieur une surface d'ecoulement d'un flux d'air secondaire.

L'invention sera mieux comprise et d'autres details, caracteristiques et avantages de !'invention apparaitront a la lecture de la 5 description suivante faite a titre d'exemple non limitatif en reference aux dessins annexes dans lesquels : - la figure 1 est une representation schematique d'un circuit d'huile selon la technique anterieure et deja decrit precedemment; - la figure 2 est une representation schematique d'un circuit 10 d'huile selon !'invention, la vanne etant dans une position d'ouverture ; - la figure 3 est une representation schematique d'un circuit d'huile selon !'invention, la vanne etant dans une position de fermeture ; - la figure 4 est une vue schematique en perspective depuis l'aval d'une turbomachine comprenant un echangeur de chaleur selon 15 !'invention ; - la figure 5 est une vue schematique en coupe du positionnement d'un echangeur de chaleur dans une veine de la turbomachine ; - la figure 6a est une vue schematique d'un ensemble selon 20 !'invention ; - la figure 6b represente une vue en coupe de !'ensemble selon un plan radial. - la figure 7 est une vue schematique en perspective et en coupe selon un plan radial de !'ensemble de la figure 6a.

On se refere a la figure 2 qui represente un circuit d'huile 24 selon !'invention.

Dans la presente description, le terme echangeur fait reference a un moyen qui est apte a echanger de la chaleur entre deux entites.

Classiquement un carter structural entoure le moyen d'echange de chaleur, !'ensemble pouvant des lors etre qualifie d'echangeur de chaleur sans pour 30 autant que le carter structural participe activement a l'echange de chaleur.

Ainsi, on comprend bien que !'invention couvre egalement ce type produit. 6 Comme cela est visible sur la figure 2, le circuit d'huile 24 comprend une conduite primaire 26 de derivation identique a la conduite 16 de derivation de la figure 1 et une conduite secondaire 28 de derivation qui relie l'amont de la conduite primaire 26 de derivation a l'aval de la conduite 5 primaire 26 de derivation.

Plus precisement, l'extremite amont de la conduite primaire 26 de derivation et l'extremite amont de la conduite secondaire 28 de derivation sont reliees l'une a l'autre a l'entree de la conduite d'alimentation 30 de l'echangeur 31 de chaleur ou plus specifiquement de la matrice 33 de l'echangeur 31 de chaleur. 10 L'extremite aval de la conduite primaire 26 de derivation est reliee a l'entree d'une vanne 22 dont l'ouverture/fermeture est commandee par des moyens de pilotage 35 autorisant/bloquant la circulation de fluide au travers de la vanne 22 pour une temperature d'huile inferieure a une temperature seuil donnee, par exemple de 70°C.

Dans un mode de realisation particulier 15 de !'invention, les moyens de de pilotage de la vanne sont passifs et sont constitues de cire apte a varier en volume en fonction de la temperature environnante.

La variation en volume de la cire au sein de la vanne permet de selectivement laisser passer l'huile a travers la vanne ou de bloquer l'ecoulement d'huile en amont de la vanne.

La sortie de la vanne 22 est reliee 20 a une conduite de sortie 34 de la matrice de l'echangeur de chaleur.

Dans une variante de realisation (non representee), la vanne 22 pourrait etre montee en amont de l'extremite amont de la conduite primaire 26 de derivation de maniere a autoriser la circulation de fluide dans la conduite primaire 26 de derivation pour une temperature inferieure a la 25 temperature seuil et interdire la circulation d'huile pour une temperature superieure a la temperature seuil, la circulation d'huile etant autorisee dans la conduite d'alimentation 30 de la matrice d'huile quelle que soit la temperature.

Dans cette configuration, l'extremite amont de la conduite secondaire 28 de derivation est reliee a la sortie de la vanne 22 ou a l'aval 30 de l'extremite aval de la conduite primaire 26 de derivation. 7 Dans encore une autre realisation de !'invention, ii serait possible d'utiliser une vanne pour chaque conduire primaire 26 et secondaire 28 de derivation, ces vannes etant alors commandees simultanement en ouverture et fermeture par les moyens de pilotage.

Dans la realisation de la figure 2, la vanne 22 est de preference une vanne unidirectionnelle tout ou rien comprenant deux positions dont l'une autorise la circulation d'huile dans les conduites primaire 26 et secondaire 28 de derivation et l'autre interdit la circulation dans lesdites conduites 26, 28. II serait encore possible d'utiliser un distributeur pilote a 10 deux orifices et deux positions.

La circulation de l'huile dans la matrice 33 est representee par les fleches en traits pleins sur la figure 2.

Selon !'invention, lorsque l'huile de la matrice 33 est gelee, l'huile circule dans la conduite primaire 26 et dans la conduite secondaire 28 15 comme represente par les fleches en traits pointilles sur les figures 2 et 3.

La double circulation d'huile dans la conduite primaire 26 et dans la conduite secondaire 28 permet d'augmenter le debit d'huile en mouvement lorsque la matrice 33 est gelee, ce qui reduit la surpression dans le circuit d'huile 24, plus particulierement dans la conduite primaire pour un debit 20 d'huile donne circulant dans la conduite d'alimentation 34.

De preference, la conduite secondaire 28 presente une section de passage d'huile inferieure ou egal au diametre de la section de passage d'huile de la conduite primaire 26 afin que l'huile circule principalement dans la conduite primaire 26 et ainsi garantir la decongelation de la matrice 33. 25 De meme, on comprend que la conduite secondaire doit etre le plus court possible pour abaisser la perte de charge dans la conduite primaire tout en assurant une bonne decongelation.

Ainsi, a titre d'exemple, la conduite secondaire peut etre definie par une longueur au moins dix fois inferieure a celle de la conduite primaire, et/ou un diametre trois fois inferieur 30 a la premiere conduite. 8 La figure 4 represente une turbomachine 36 vu depuis l'aval de celle-ci (selon le sens du flux d'air) comprenant une roue de soufflante 38 et l'echangeur de chaleur air/huile 31 porte par un carter annulaire 40 externe de la veine d'ecoulement d'air secondaire (fleche A sur la figure 5).

Comme 5 cela est mieux visible sur la figure 5, l'echangeur de chaleur 31 est porte par le carter 40 et sa matrice est agencee de maniere a former une surface radialement externe d'ecoulement du flux d'air secondaire de la turbomachine, c'est-a-dire le flux d'air contournant les compresseurs basse et haute pression, la chambre de combustion et les turbines haute et basse 10 pression.

En pratique, on comprend que l'echangeur 31 de chaleur air/huile a la forme d'un anneau agence autour de l'axe 42 de la turbomachine 36.

Dans la description le terme de « conduite secondaire » doit s'entendre comme concernant tout passage de fluide permettant de faire 15 circuler de l'huile entre l'amont et l'aval de la conduite primaire.

Ainsi, dans l'echangeur de chaleur decrit precedemment, le conduit secondaire peut etre un simple orifice realise dans une paroi separant l'huile circulant dans la conduite d'alimentation 30 et l'huile circulant dans la partie aval de la conduite primaire 33. 20 Dans une realisation de !'invention, le conduit primaire a un diametre de l'ordre de 12 mm et la conduite secondaire est un orifice comme indique au paragraphe precedent et a un diametre de 5 mm.

La longueur de la conduite primaire est, dans un exemple de realisation, de l'ordre de plusieurs metres.

La figure 6a represente un ensemble 44 selon !'invention comprenant un boitier forme d'un premier demi-anneau 46 et d'un second demi-anneau relies 48 l'un a l'autre par une partie centrale 50.

Get ensemble 44 comprend, comme decrit precedemment, un circuit d'huile 24 et une matrice 33 d'echange de chaleur ainsi que des ailettes 70 de refroidissement 30 agencees sur la face radialement interne de la matrice d'huile 33.

La partie centrale comprend une entree d'huile 30 dans la matrice 33, une sortie 9 d'huile 34 de la matrice 33 et la vanne unidirectionnelle 22.

Comme decrit precedemment, l'entree d'huile 30 alimente egalement la conduite primaire 26 et la conduite secondaire 28 et la sortie d'huile 34 est reliee a la sortie de la vanne unidirectionnelle 22 ou plus generalement a une sortie de la vanne 5 22.

Le premier demi-anneau 46 comprend une premiere branche 46a semi-circulaire de conduite et un seconde branche 46c semi-circulaire de conduite reliees l'une a l'autre par une branche de liaison 46b formee a l'extremite circonferentielle opposee a la partie centrale 50 (figure 6b).

La 10 premiere branche 46a est formee en amont de la seconde branche 46c et la branche de liaison 46b du premier demi-anneau 46 s'etend sensiblement axialement.

La premiere branche 46a, la seconde branche 46c et la branche de liaison 46b forment ensemble une premiere partie 52 de la conduite primaire 26 de derivation. 15 Le second demi-anneau 48 comprend premiere branche 48a semi-circulaire de conduite et un seconde branche 48c semi-circulaire de conduite reliees l'une a l'autre par une branche 48b de liaison formee a l'extremite circonferentielle opposee a la partie centrale 50.

La premiere branche 48a est formee en amont de la seconde branche 48c et la branche 20 de liaison 48b s'etend sensiblement axialement.

La premiere branche 48a, la seconde branche 48c et la branche de liaison 48b du second demi-anneau 48 forment ensemble une seconde partie 54 de la conduite primaire 26 de derivation.

La premiere partie 52 de la conduite primaire de derivation et la seconde partie 54 de la conduite primaire de derivation definissent ensemble 25 integralement la conduite primaire 26 de derivation.

Plus specifiquement comme represente en figure 7, la partie centrale 50 porte la vanne 22 qui comprend un corps tubulaire 54 dans le lequel est monte a coulissement un piston 56 entre une premiere position d'appui sur un siege 58 obturant l'ecoulement d'huile entre la sortie 60 de la 30 conduite primaire 26 et la sortie 34 de la matrice 33 et une seconde position dans laquelle le piston 56 est eloignee du siege 58 et autorise la circulation d'huile.

Le piston 56 comprend une premiere 56a partie radialement externe coulissant a etancheite dans le corps et reliee par une tige 56b a une tete 56c du piston destinee a venir en appui sur le siege 58 ou pourtour de !'orifice de sortie 62.

Cette tete comprend un chanfrein 64 annulaire d'appui sur le 5 pourtour de !'orifice 62.

Lorsque l'huile s'ecoule au travers de l'ouverture 60, elle s'ecoule ensuite au travers de la conduite 66 pour rejoindre la sortie 34 de la matrice d'huile 33.

Comme represente sur la figure 7, la conduite secondaire 28 relie l'extremite amont de la conduite primaire 26 a l'extremite aval de la conduite 10 primaire 26.

Cette figure represente egalement !'orifice d'entree 68 d'huile dans la conduite primaire 26, cet orifice 68 etant relie a l'entree d'huile 30 de la matrice 33.

La conduite primaire 26 et la conduite secondaire 28 sont alimentees par l'entree d'huile 30 de la matrice 33. L'huile presente dans la 15 conduite primaire 26 et la conduite secondaire 28 s'ecoule alors jusqu'a la vanne 22 qui bloque l'huile au niveau de la sortie 60 de la conduite primaire 26 ou permet a l'huile de s'echapper par la sortie 34 de la matrice d'huile 33.

L'ecoulement dans la conduite primaire 26 comprend plus particulierement, un ecoulement dans le premier demi-anneau 46 puis dans 20 le second demi-anneau 48 avant de rejoindre la vanne 22.

Plus specifiquement, l'huile s'ecoule dans la premiere branche 46a semicirculaire, puis la branche de liaison 46b et enfin la seconde branche 46c semi-circulaire du premier demi anneau 46.

Une fois que l'huile est a l'extremite aval de la seconde branche 46c semi-circulaire du premier demi- 25 anneau 46, l'huile circule par la suite dans le second demi-anneau 48 au niveau de la seconde branche 48c semi-circulaire, puis de la branche de liaison 48b et enfin de la premiere branche 48a semi-circulaire avant de rejoindre la sortie 34 de la matrice d'huile 33 par le biais de la vanne 22.

Claims (7)

11 REVENDICATIONS 1. Ensemble (44) pour turbomachine (36), comprenant un circuit d’huile comportant un échangeur thermique air/huile 5 (31), une conduite primaire (26) de dérivation reliant une entrée de l’échangeur thermique air/huile (31) à une sortie de l’échangeur thermique air/huile (31) et entourant l’échangeur thermique air/huile (31) de manière à échanger de la chaleur avec l’échangeur thermique air/huile (31) et une conduite secondaire (28) de 10 dérivation de la conduite primaire (26) reliant l’amont de la conduite primaire (26) de dérivation à l’aval de la conduite primaire (26) de dérivation, le circuit (24) comprenant également au moins une vanne (22) de commande du passage du débit d’huile dans les conduites primaire (26) et secondaire (28) de dérivation et des moyens de pilotage (35) de l’ouverture de ladite au 15 moins une vanne (22) pour une température inférieure à une température seuil, ladite conduite secondaire (28) de dérivation ayant une longueur au moins dix fois inférieure à la longueur de la conduite primaire (26) de dérivation.

2. L’ensemble selon la revendication 1, dans lequel le circuit 20 comprend une seule vanne (22) agencée en sortie de la conduite primaire (26) de dérivation et en aval de la sortie de la conduite secondaire (28) de dérivation.

3. L’ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite au moine une vanne (22) de commande est une vanne pouvant adopter au 25 moins deux positions dont une première position ouverte autorise le passage d’huile et une seconde position fermée bloque le passage d’huile au travers de la vanne.

4. L’ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la température seuil est de 70°C. 12

5. L’ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite au moine une vanne (22) de commande est une vanne unidirectionnelle à deux voies.

6. L’ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la conduite secondaire (28) de dérivation présente 5 un diamètre au moins trois fois inférieur au diamètre de la conduite primaire (26) de dérivation.

7. Turbomachine comprenant l’ensemble défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l’échangeur thermique 10 huile/air délimite radialement vers l’extérieur une surface d’écoulement d’un flux d’air secondaire.