FR2915520A1 - Ensemble moteur comprenant un ou plusieurs caloducs pour le refroidissement d'un compresseur haute pression - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un agencement (50) comprenant un compresseur haute pression (34) de turbomachine comportant au moins un étage de redresseur (80) délimitant un canal annulaire de flux primaire, et une paroi de nacelle (42) délimitant radialement vers l'intérieur un canal annulaire d'écoulement d'air frais (40). Selon l'invention, l'agencement comprend de plus au moins un caloduc (54) disposant d'une extrémité d'évaporation (54a) montée sur l'étage de redresseur (80), et d'une extrémité de condensation (54b) montée sur la paroi de nacelle (42) .

Description

ENSEMBLE MOTEUR COMPRENANT UN OU PLUSIEURS CALODUCS POUR LE

REFROIDISSEMENT D'UN COMPRESSEUR HAUTE PRESSION

DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte de façon générale à un agencement pour ensemble moteur, de préférence pour ensemble moteur d'aéronef, comprenant globalement un compresseur haute pression de 10 turbomachine, ainsi qu'une paroi de nacelle entourant ledit compresseur haute pression et délimitant radialement vers l'intérieur un canal annulaire d'écoulement d'air frais, et plus précisément, dans le cas préféré d'une turbomachine à double flux, 15 délimitant un canal annulaire de flux secondaire. L'invention s'applique de préférence à tout type de turbomachine, de préférence un turboréacteur pour aéronef, et encore plus préférentiellement un turboréacteur à fort taux de dilution. 20 ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les aéronefs comprennent des ensembles moteurs généralement composés d'une nacelle et d'une turbomachine entourée par la nacelle, cette dernière servant notamment à délimiter un canal annulaire de 25 flux secondaire. Pour diminuer la consommation spécifique en carburant (de l'anglais Specific Fuel Consumption ), et surtout réduire les émissions polluantes du type NOx qui découlent de cette consommation, il est connu de 30 diminuer la température du flux primaire avant son entrée dans le compresseur haute pression de la turbomachine, habituellement du type turboréacteur. Cela a en particulier pour objectif de limiter les sollicitations thermiques appliquées au compresseur haute pression durant le passage du flux primaire, de manière à ce qu'il puisse offrir des taux de compression plus élevés, synonymes de réduction de la consommation spécifique en carburant, et donc de diminution des émissions polluantes associées.

Pour assurer le refroidissement du flux primaire, il est employé un système de refroidissement prenant habituellement la forme d'un échangeur de chaleur classique, utilisant une partie du flux secondaire relativement frais comme fluide froid. Dans tous les cas, la mise en oeuvre de ce système de refroidissement connu de l'art antérieur entraîne nécessairement un prélèvement spécifique du flux secondaire, et des pertes de charges non négligeables au sein de l'ensemble moteur, cela se traduisant par des pertes de performances globales pour l'ensemble moteur. Cet inconvénient est d'autant plus accentué que des pertes de charges sont également rencontrées au niveau du flux primaire, transitant par l'échangeur de chaleur prévu pour son refroidissement.

D'autre part, l'implantation de ce système de refroidissement pose parfois des problèmes en raison de son fort encombrement, associé au fait qu'il est généralement implanté dans une zone déjà largement encombrée, notamment en raison de la présence des bielles latérales de reprise des efforts de poussée.

Enfin, sa masse importante pénalise la masse globale de l'ensemble moteur. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a pour objet un agencement comprenant un compresseur haute pression de turbomachine comportant au moins un étage de redresseur délimitant un canal annulaire de flux primaire, et une paroi de nacelle délimitant radialement vers l'intérieur un canal annulaire d'écoulement d'air frais. Selon l'invention, l'agencement comprend de plus au moins un caloduc disposant d'une extrémité d'évaporation montée sur ledit étage de redresseur, et d'une extrémité de condensation montée sur ladite paroi de nacelle. Ainsi, l'invention propose astucieusement d'employer un ou plusieurs échangeurs de chaleur comportant un ou plusieurs caloducs pour le refroidissement du compresseur haute pression de la turbomachine. Cela a en particulier pour objectif de diminuer la température du flux primaire traversant ce compresseur, et obtenir ainsi un compresseur haute pression à taux de compression plus élevé, sans pour autant que la température de sortie ne soit critique pour les matériaux utilisés. Surtout, l'obtention de taux de compression élevés permet la réduction de la consommation spécifique en carburant, et donc la diminution des émissions polluantes associées.

L'avantage principal lié à cette utilisation de caloduc réside dans le fait qu'il permet d'éviter l'échauffement du compresseur haute pression formant portion chaude, sans réaliser de prélèvement spécifique du flux secondaire, alors que dans l'art antérieur, le fonctionnement des diverses systèmes de refroidissement employés reposait au contraire sur la réalisation d'un tel prélèvement pénalisant. En effet, pour rappel, un caloduc est un système fermé / passif qui permet, en profitant des changements de phase d'un fluide caloporteur, de prélever de la chaleur à un endroit, en l'occurrence la portion chaude, et de la redistribuer à un autre endroit, la portion de l'ensemble moteur maintenue plus froide, sans utiliser de pompe ou autre artifice mécanique. Le fonctionnement est tel que l'on enferme un liquide dans un tube qui est habituellement composé de trois parties, à savoir l'évaporateur, le condenseur et la zone adiabatique. Au niveau de l'évaporateur, le liquide va prendre sa forme gazeuse et aller vers le condenseur où il va se reliquéfier. Il va alors être ramené vers l'évaporateur grâce par exemple à un réseau capillaire qui va jouer le rôle de moteur du caloduc. En d'autres termes, le liquide condensé retourne vers l'extrémité chaude, dite d'évaporation, par gravité ou par capillarité dans un dispositif approprié fonctionnant comme une mèche . Ainsi, avec un caloduc, la chaleur est transférée de la portion chaude à la portion froide par vaporisation de la phase liquide et condensation de la vapeur dans la partie froide du caloduc.

Les performances globales offertes par la présente l'invention sont donc largement accrues par rapport à celles rencontrées antérieurement, en raison de l'absence de prélèvements spécifiques du flux secondaire, et de pertes de charges associées. De plus, avec cette configuration, le flux primaire ne subit plus de pertes de charges, puisqu'il n'est plus destiné à transiter par un échangeur thermique classique. Par ailleurs, un caloduc présente une masse et un encombrement faibles le rendant facilement implantable sur l'ensemble moteur, même à un emplacement fortement encombré de celui-ci. De préférence, l'invention s'applique à une turbomachine à double flux. Dans ce cas, la paroi de nacelle entourant le compresseur haute pression délimite alors radialement vers l'intérieur un canal annulaire d'écoulement de flux secondaire. Néanmoins, l'application de l'invention à une turbomachine simple flux peut être envisagée, sans sortir du cadre de l'invention. Chaque caloduc employé est alors de préférence agencé de sorte que son extrémité d'évaporation soit logée au niveau d'une extrémité radiale extérieure de l'étage du redresseur, pour ensuite s'étendre par exemple sensiblement radialement en direction du canal annulaire de flux secondaire. Dans ce cas de figure, l'un des avantages réside dans la très grande facilité d'implantation du caloducs. Comme mentionné ci-dessus, la portion plus froide sur laquelle est raccordé le caloduc est une paroi de la nacelle délimitant radialement vers l'intérieur un canal annulaire d'écoulement d'air frais, ladite extrémité de condensation étant donc montée fixement ou non sur cette paroi de nacelle. Cette dernière est elle aussi maintenue en permanence à une température relativement froide en raison du fait qu'elle est baignée par un écoulement d'air frais, de préférence le flux secondaire, de sorte qu'elle se trouve parfaitement adaptée pour collecter et dissiper la chaleur transmise par le caloduc et provenant du compresseur haute pression. Il est par ailleurs possible d'améliorer encore davantage le transfert de chaleur entre la portion chaude et la portion plus froide, en faisant en sorte que l'extrémité de condensation soit également montée sur un système d'échangeur thermique à ailettes logé au moins partiellement à l'intérieur du canal annulaire de flux secondaire. Dans un tel cas, on peut alors considérer que la portion plus froide est réalisée conjointement à l'aide de la paroi de nacelle précitée, et de cet échangeur à ailettes. Toujours dans cette même configuration, il est préférentiellement prévu une pluralité de caloducs répartis circonférentiellement autour dudit étage de redresseur du compresseur haute pression, de préférence de manière régulière. Cela permet d'obtenir une température sensiblement homogène pour l'étage de redresseur concerné, étant cependant entendu que plusieurs étages de redresseur du compresseur haute pression pourraient être équipés de tels caloducs pour leur refroidissement, sans sortir du cadre de l'invention.

Il est noté que le matériau constitutif de l'étage de redresseur du compresseur haute pression est retenu de préférence pour ses propriétés de conductivité thermique, afin d'assurer un bon transfert de chaleur entre le flux primaire et cet étage de redresseur. Les caloducs, destinés à être montés sur la paroi de la nacelle délimitant radialement vers l'intérieur le canal annulaire de flux secondaire, sont préférentiellement agencés selon une direction radiale de la turbomachine, dans un plan transversal du compresseur haute pression. Ainsi, en particulier, leur implantation n'est aucunement gênée par la présence des bielles latérales de reprise des efforts de poussée s'étendant généralement vers l'arrière, entre le carter intermédiaire et le mât d'accrochage de l'ensemble moteur servant à sa fixation sur un élément de structure de l'aéronef, de préférence sa voilure. L'invention a également pour objet un ensemble moteur comprenant un agencement tel que décrit ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 représente une vue générale en perspective d'un ensemble moteur pour aéronef, susceptible d'intégrer un agencement conforme à la présente invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale prise selon le plan P de la figure 1 ; - la figure 3 représente une vue plus détaillée en perspective d'une partie de l'ensemble moteur pour aéronef représenté sur les figures 1 et 2 ; - la figure 4 représente une vue schématique d'un caloduc utilisé sur la partie de l'ensemble moteur montrée sur la figure 3 ; et - la figure 5 représente une vue en perspective montrant un secteur angulaire d'un étage de redresseur prévu sur la partie de l'ensemble moteur montrée sur la figure 3. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence tout d'abord à la figure 1, on peut apercevoir un ensemble moteur 1, suspendu sous une aile d'aéronef 2 par un mât d'accrochage 4, ces deux derniers éléments 2, 4 restant conventionnels. L'ensemble moteur 1 est essentiellement composé d'une nacelle 6 et d'un turboréacteur 8 entouré par la nacelle, cette dernière comportant, de l'avant vers l'arrière considérée par rapport à une direction d'avancement 7 de l'aéronef rencontrée suite à la poussée exercée par le turboréacteur, une entrée d'air 10, une partie soufflante 12 entourant la soufflante du turboréacteur, et une partie inverseur de poussée 14. Ces parties 12 et 14 sont de préférence réalisées chacune à l'aide de deux capots articulés sur le mât d'accrochage 4. De plus, la nacelle 6 et le turboréacteur 8 30 sont centrés sur un axe longitudinal 16 de ce turboréacteur. A cet égard, dans toute la description, par convention, on appelle X la direction longitudinale de l'ensemble moteur 1 qui est également assimilable à la direction longitudinale du turboréacteur 8 et de la nacelle 6, cette direction X étant parallèle à l'axe longitudinal 16 de ce turboréacteur 8. D'autre part, on appelle Y la direction orientée transversalement par rapport à l'ensemble 1 et également assimilable à la direction transversale du turboréacteur 8 et de la nacelle 6, et Z la direction verticale ou de la hauteur, ces trois directions X, Y et Z étant orthogonales entre-elles. En référence à présent à la figure 2, le turboréacteur 8 dispose à l'avant d'un carter de soufflante 20 de grande dimension délimitant un canal annulaire de soufflante 22, et comporte vers l'arrière un carter central 24 de plus petite dimension, renfermant le coeur de ce turboréacteur. Une extrémité annulaire avant 24a du carter central 24 porte des pales fixes 26 s'étendant radialement, et relient par leurs deux extrémités ce même carter central au carter de soufflante 20. A titre indicatif, cette extrémité avant 24a est également dénommée carter intermédiaire de la turbomachine. Enfin, le carter central 24 se prolonge vers l'arrière par un carter d'éjection 28, les carters précités étant bien entendu solidaires les uns des autres. Comme cela ressort de ce qui précède, il s'agit ici préférentiellement d'un turboréacteur disposant d'un fort taux de dilution.

Par ailleurs, le turboréacteur 8 comporte globalement, de l'avant vers l'arrière et entourés par les carter précités, une soufflante 30, un compresseur basse pression ou booster 32, un compresseur haute pression 34, une chambre de combustion 36, et une turbine haute pression 38.

La nacelle 6 délimite quant à elle, en arrière par rapport au canal annulaire de soufflante 22 et dans le prolongement de celui-ci, un canal annulaire de flux secondaire 40 centré sur l'axe 16, qui est généralement délimité radialement vers l'intérieur et vers l'extérieur par des parois faisant partie intégrante des capots de soufflante et d'inverseur de poussée de la nacelle. En particulier, ces capots, appartenant aux parties de soufflante 12 et d'inverseur de poussée 14 de la nacelle, forment conjointement une paroi 42 de délimitation du canal annulaire de flux secondaire 40, radialement vers l'intérieur. De plus, l'espace annulaire formé entre le carter central 24 et cette paroi 42 est prévu pour loger diverses équipements, par exemple du type vanne, ou tout autre équipement du type hydraulique, électrique, etc. Cet espace référencé 44 sur la figure 2 est habituellement dénommé compartiment de nacelle, en raison des éléments qui le délimite radialement vers l'extérieur. Comme visible sur cette même figure, l'extrémité avant 24a du carter central peut constituer la fermeture avant du compartiment de nacelle 44, même si il pourrait en être autrement, sans sortir du cadre de l'invention. Toujours en référence à la figure 2, le flux primaire Fp traverse successivement la soufflante 30, le compresseur basse pression 32, le compresseur haute pression 34, la chambre de combustion 36, et la turbine haute pression 38. Par ailleurs, le flux secondaire Fs situé radialement extérieurement par rapport au flux primaire Fp traverse successivement la soufflante 30, le canal annulaire de soufflante 22, et le canal annulaire de flux secondaire 40, les deux flux Fs et Fp étant de préférence mélangés avant d'être éjectés de l'ensemble moteur 1. En référence à la figure 3, il est montré un agencement 50 de l'ensemble moteur 1, formant partie de ce dernier et intégrant notamment un étage de redresseur 80 du compresseur haute pression 34, formant ici une portion chaude à refroidir. Le refroidissement de cet étage de redresseur 80, qui pourrait naturellement s'appliquer à d'autres étages de redresseur du compresseur 34, est essentiellement prévu dans le but de diminuer la température du flux primaire Fp traversant ce compresseur, et ainsi obtenir un taux de compression plus élevé, sans pour autant que la température de sortie ne soit critique pour les matériaux utilisés. Ceux-ci sont par exemple du type Ti, Kanthal, SiC-Al, Cu, ou tout autre matériau présentant de bonnes propriétés de conductivité thermique, afin d'assurer un bon transfert de chaleur entre le flux primaire Fp et l'étage de redresseur 80 qu'il traverse. Pour assurer un refroidissement satisfaisant de cet étage de redresseur 80, l'une des particularités de la présente invention est de prévoir au moins un caloduc 54 permettant de transférer la chaleur de cette portion chaude 80 vers une portion maintenue plus froide de l'agencement 50. Dans le mode de réalisation préféré décrit, pour obtenir une température sensiblement homogène pour l'étage de redresseur 80, il est prévu une pluralité de caloducs 54 répartis circonférentiellement autour de l'étage 80, de préférence de manière régulière, en s'étendant chacun sensiblement radialement. De plus, ils sont de préférence situés dans un même plan transversal de la turbomachine 8, traversant le compresseur HP 34.

Toujours en référence à la figure 3, on peut apercevoir que globalement, chaque caloduc 54 est monté sur la portion périphérique extérieure 82 de l'étage de redresseur 80 formant portion chaude, et monté également sur la paroi 42 remplissant ici le rôle de portion maintenue en permanence à une température plus fraîche, en particulier en raison du fait qu'elle est baignée extérieurement par le flux secondaire Fs. Plus précisément, chaque caloduc 54, de forme cylindrique ou plane, dispose d'une extrémité d'évaporation 54a montée sur la portion périphérique extérieure 82 formant portion chaude, et d'une extrémité opposée 54b dite de condensation, montée sur la paroi 42 formant portion plus froide de l'agencement 50 de l'ensemble moteur 1.

Naturellement, les points d'implantation des extrémités 54a, 54b sur leurs éléments associés 82, 42 peuvent être judicieusement choisis en fonction des niveaux de température, étant rappelé que plus la différence de température entre les extrémités du caloduc est importante, plus le transfert de chaleur s'avère efficace.

En outre, pour assurer un meilleur refroidissement de l'étage 80, ces extrémités 54a, 54b sont de préférence prévues pour pénétrer à l'intérieur de leurs éléments associés 82, 42. Ainsi, on considère alors que la portion périphérique extérieure 82, logeant l'extrémité d'évaporation 54a, forme un bloc évaporateur 66, par exemple en prenant la forme d'une empreinte cylindrique faisant saillie radialement vers l'extérieur par rapport à la portion périphérique extérieure 82, comme visible sur la figure 6. De plus, la paroi 42, logeant l'extrémité de condensation 54b, forme quant à elle un bloc condenseur 68, qui peut par exemple s'apparenter à une surépaisseur dans cette même paroi 42, comme visible sur la figure 3.

En référence à la figure 4, il est rappelé que le caloduc 54 est un dispositif de dissipation de chaleur à haute performance. Il permet d'évacuer de fortes densités de flux de chaleur entre deux milieux de températures différentes par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur à l'état saturé. Ce dernier, à l'état liquide, s'évapore au niveau de la zone de chauffage, appelée évaporateur 60 et se terminant par l'extrémité d'évaporation 54a. La vapeur, ainsi formée, s'écoule à travers une zone adiabatique 62 pour se condenser dans la zone de refroidissement ou condenseur 64, se terminant par l'extrémité de condensation 54b. Ainsi, en profitant des changements de phase du fluide caloporteur, le caloduc 54 permet de prélever de la chaleur au niveau de l'étage de redresseur 80, et plus particulièrement au niveau du bloc évaporateur 66 formé par l'empreinte cylindrique en saillie précitée, logeant l'extrémité d'évaporation 54a, et de la redistribuer à la paroi 42, et plus particulièrement au niveau du bloc condenseur 68 formé par cette dernière et logeant l'extrémité de condensation 54b.

Naturellement, il est possible d'utiliser tout type de caloduc rencontré dans le commerce. A titre d'exemple indicatif montré sur la figure 4, le caloduc 54 est pourvu d'un tube enveloppe 70 dont les parois intérieures sont recouvertes d'un réseau capillaire 72 saturé de liquide, et d'un espace 74 rempli de la vapeur saturante de ce même liquide. Ainsi, au niveau de la source de chaleur formée par le bloc évaporateur 66, il y a évaporation du liquide présent dans le réseau capillaire 72. Du fait qu'il fasse plus froid au niveau de la source froide formée par le du bloc condenseur 68, la vapeur se dirige vers lui et s'y condense. Le condensat revient ensuite vers le bloc évaporateur 66 grâce au réseau capillaire 72, et le cycle peut alors recommencer indéfiniment, sans maintenance. Comme mentionné ci-dessus, la paroi 42 remplit le rôle de portion maintenue en permanence à une température plus fraîche, en particulier en raison du fait qu'elle est baignée par le flux secondaire Fs.

Dans le but d'améliorer encore davantage le transfert de chaleur entre la portion chaude et la portion plus froide, on fait en sorte que l'extrémité de condensation 54b soit également montée sur un système d'échangeur thermique à ailettes 86, logé au moins partiellement à l'intérieur du canal annulaire de flux secondaire 40, et de préférence de sorte que l'intégralité des ailettes soient logées dans ce canal 40, afin d'être épousées par le flux secondaire Fs. La portion plus froide est alors réalisée conjointement à l'aide de la paroi de nacelle 42 et de cet échangeur à ailettes 86, car ils participent tous les deux à collecter et dissiper la chaleur transmise par les caloducs 54 et provenant de l'étage de redresseur 80 à refroidir. A titre informatif, dans le cas où la paroi de nacelle 42 est conçue pour être fixe sur l'ensemble moteur 1, l'extrémité de condensation 54b est alors de préférence montée fixement sur l'échangeur 86 considéré alors comme intégrant le bloc condenseur 68, ce même échangeur 86 étant lui-même monté fixement sur la paroi. Dans ce cas de figure, on peut considérer que l'extrémité de condensation 54b est également montée fixement sur la paroi 42, même si ce n'est qu'indirectement, de sorte que comme cela a été évoqué ci-dessus, la portion plus froide est ici considérée comme réalisée conjointement à l'aide de la paroi de nacelle 42 et de cet échangeur à ailettes 86. A noter que dans le cas où il n'est pas prévu d'échangeur de chaleur, l'extrémité de condensation 54b peut être montée fixement et directement sur la paroi 42, par exemple par soudage dans son bloc condenseur associé 68. En revanche, si comme cela a été décrit ci-dessus, la paroi de nacelle 42 est mobile, notamment en raison du fait qu'elle est agencée sur des capots articulés de nacelle, l'une des deux liaisons mécaniques entre la paroi 42 et l'échangeur 86 fixé sur l'extrémité de condensation 54b, et l'extrémité d'évaporation 54a et la portion périphérique extérieure 82 de l'étage de redresseur 8, est amovible. Cette liaison mécanique amovible est par exemple du type emboitement, de manière à pouvoir être établie automatiquement lors de la fermeture du capot de nacelle, et rompue automatiquement lors de son ouverture. A cet égard, il est possible de prévoir une trappe / fenêtre sur le capot de nacelle pour loger, en position fermée du capot, l'extrémité de condensation 54b et/ou l'échangeur 86 considéré comme intégrant le bloc condenseur 68. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.20

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Agencement (50) comprenant un compresseur haute pression (34) de turbomachine, comportant au moins un étage de redresseur (80) délimitant un canal annulaire de flux primaire, ledit agencement intégrant en outre une paroi de nacelle (42) délimitant radialement vers l'intérieur un canal annulaire d'écoulement d'air frais, caractérisé en ce qu'il comprend de plus au moins un caloduc (54) disposant d'une extrémité d'évaporation (54a) montée sur ledit étage de redresseur (80), et d'une extrémité de condensation (54b) montée sur ladite paroi de nacelle (42).

2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit canal annulaire d'écoulement d'air frais est le canal annulaire de flux secondaire (40).

3. Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité de condensation (54b) dudit caloduc (54) est également montée sur un système d'échangeur thermique à ailettes (86) logé au moins partiellement à l'intérieur du canal annulaire de flux secondaire (40).

4. Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu une pluralité de caloducs (54) répartiscirconférentiellement autour dudit étage de redresseur (80) du compresseur haute pression (34).

5. Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque caloduc (54) s'étend sensiblement radialement, dans un plan transversal dudit compresseur haute pression (34).

6. Ensemble moteur (1) pour aéronef comprenant un agencement (50) selon l'une quelconque des revendications précédentes.15