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Title:
COOLING OF AN OIL CIRCUIT OF A TURBOMACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/013170
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a turbomachine such as a turbojet engine or a turboprop engine of an aircraft, comprising at least one oil circuit (8) and cooling means (19) comprising a refrigerant circuit (20) provided with a first heat exchanger (21) capable of exchanging heat between the refrigerant and the air and forming a condenser, a second heat exchanger (22) capable of exchanging heat between the refrigerant and the oil of the oil circuit and forming an evaporator, an expander (23) mounted downstream from the first exchanger (21) and upstream from the second exchanger (22), in the direction in which the refrigerant circulates, and a compressor (24) mounted downstream from the second exchanger (22) and upstream from the first exchanger (21).

Inventors:
GARASSINO, Alain, Pierre (Rond-point René Ravaud - Réau, Aji Moissy Cramayel Cedex, F-77550, FR)
DELEPIERRE-MASSUE, Olivier, Robert, Michel (Rond-point René Ravaud - Réau, Aji Moissy Cramayel Cedex, F-77550, FR)
MISSOUT, Marc (Rond-point René Ravaud - Réau, Aji Moissy Cramayel Cedex, F-77550, FR)
TROHEL, Mathieu, Jean, Pierre (Rond-point René Ravaud - Réau, AjI Moissy Cramayel Cedex, F-77550, FR)
Application Number:
FR2013/051680
Publication Date:
January 23, 2014
Filing Date:
July 12, 2013
Export Citation:
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Assignee:
SNECMA (2 Boulevard Du Général Martial Valin, Paris, Paris, F-75015, FR)
International Classes:
F02C7/14; F01M5/00; F02C7/06; F16N39/02; F25B30/02
Domestic Patent References:
WO2010051011A12010-05-06
WO2009140100A12009-11-19
Foreign References:
FR2914365A12008-10-03
EP1895124A22008-03-05
Attorney, Agent or Firm:
ERNEST GUTMANN - YVES PLASSERAUD SAS - (3 Rue Auber, Paris, Paris, F-75009, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 . Turbomachine (1 ), telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comportant au moins un circuit d'huile (8) et des moyens de refroidissement (19) de l'huile de ce circuit, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement (19) comportent un circuit thermodynamique (20) de fluide frigorigène équipé

- d'un premier échangeur de chaleur (21 ) apte à échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène et de l'air et formant un condenseur,

- d'un second échangeur de chaleur (22) apte à échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène et l'huile du circuit d'huile et formant un évaporateur,

- d'un détendeur (23) monté en aval du premier échangeur (21 ) et en amont du second échangeur (22), dans le sens de circulation du fluide frigorigène, et

- d'un compresseur (24) monté en aval du second échangeur (22) et en amont du premier échangeur (21 ).

2. Turbomachine (1 ) selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comporte une veine secondaire de passage d'un flux secondaire issu d'une soufflante, le premier échangeur (21 ) étant disposé dans la veine secondaire.

3. Turbomachine selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le premier échangeur (21 ) est conçu pour échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène et de l'air ambiant, externe à la turbomachine.

4. Turbomachine (1 ) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le circuit d'huile (8) est conçu pour lubrifier et/ou refroidir des éléments du moteur de la turbomachine et/ou un équipement, tel qu'un générateur électrique.

Description:
REFROIDISSEMENT DU CIRCUIT D'HUILE D'UNE TURBOMACHINE

La présente invention concerne une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comportant au moins un circuit d'huile et des moyens de refroidissement de l'huile de ce circuit.

De façon connue, une turbomachine comprend un circuit d'huile pour la lubrification d'équipements, tels que notamment des paliers à roulements ou des organes d'engrenages, et comprend également un circuit de carburant alimentant des injecteurs montés dans une chambre de combustion.

Il est connu de relier les circuits d'huile et de carburant par des échangeurs de chaleur dans le but d'éviter un échauffement important de l'huile de lubrification, l'huile étant refroidie par échange de chaleur avec le carburant.

A cette fin, on utilise un échangeur de chaleur huile/carburant agencé dans les circuits d'huile et de carburant en aval ou en amont d'un ou plusieurs échangeur(s) de chaleur huile/air monté(s) dans le circuit d'huile. L'échangeur de chaleur huile/air est parcouru ou balayé par un flux d'air provenant de l'extérieur ou de l'intérieur de la turbomachine.

L'échangeur de chaleur huile/air est nécessaire pour refroidir l'huile lorsque, pour certains points de fonctionnement de la turbomachine, l'échangeur de chaleur huile/carburant ne permet pas de suffisamment refroidir l'huile.

D'autres solutions sont également connues de l'art antérieur, comme notamment l'utilisation d'un clapet thermostatique dans une conduite de dérivation à l'entrée de l'échangeur de chaleur huile/air ou encore l'utilisation de volets d'obturation de l'alimentation en air.

Les demandes FR2951228, FR1061 138 et FR1 157953 de la Demanderesse décrivent des architectures de circuits d'huile et de carburant dans une turbomachine.

L'échangeur de chaleur huile/air est par exemple du type surfacique, c'est-à-dire qu'il comprend des conduits d'huile balayés par un flux d'air froid provenant d'un flux d'air de contournement appelé flux d'air secondaire. Un tel échangeur est par exemple logé sur une paroi du canal du flux secondaire, immédiatement en aval de la soufflante.

L'échangeur de chaleur huile/air peut aussi être du type à plaques et traversé par un flux d'air prélevé dans le flux d'air secondaire et réinjecté en sortie dans celui-ci.

Les échangeurs actuels ont des rendements relativement faibles, ce qui oblige à utiliser des échangeurs relativement encombrants. Or, comme ceux-ci sont placés dans le flux d'air secondaire, ils engendrent des perturbations aérodynamiques qui augmentent avec leurs dimensions, ce qui pénalise le rendement global de la turbomachine.

En outre, dans le cas d'un échangeur huile/air par exemple, la différence de température utilisable par l'échangeur est réduite. A titre d'exemple, dans certaines phases de fonctionnement d'un turboréacteur, la température de l'air est de l'ordre de 100°C par exemple et la température de l'huile à ne pas dépasser est par exemple de l'ordre de 150°C. L'échangeur doit donc travailler avec un écart de température d'à peine 50°C, ce qui limite la performance de l'échangeur de chaleur.

L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.

A cet effet, elle propose une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comportant au moins un circuit d'huile et des moyens de refroidissement de l'huile de ce circuit, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement comportent un circuit thermodynamique de fluide frigorigène équipé

- d'un premier échangeur de chaleur apte à échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène et de l'air et formant un condenseur,

- d'un second échangeur de chaleur apte à échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène et l'huile du circuit d'huile et formant un évaporateur, - d'un détendeur monté en aval du premier échangeur et en amont du second échangeur, dans le sens de circulation du fluide frigorigène, et

- d'un compresseur monté en aval du second échangeur et en amont du premier échangeur.

De cette manière, le circuit d'huile n'est plus refroidi à l'aide d'un simple échangeur de chaleur de type air/huile mais à l'aide d'un dispositif thermodynamique du type pompe à chaleur.

Dans ce dispositif, la chaleur est prélevée sur l'huile par l'évaporateur, puis transférée à l'air par le condenseur, par l'intermédiaire du fluide frigorigène. En reprenant l'exemple précédent (température de l'air de l'ordre de 100°C), il est possible de porter le fluide frigorigène à des températures largement supérieures à 150°C, de manière à pouvoir travailler avec un écart de température bien supérieur à 50°C, ce qui augmente l'efficacité du condenseur et permet en particulier de limiter la taille de ce condenseur de façon à ne pas impacter les performances globales de la turbomachine.

De façon surprenante, le gain apporté par l'invention en termes de performance compense l'ajout des nouveaux éléments constituant la pompe à chaleur et les inconvénients qui sont habituellement liés à un tel ajout (encombrement, poids, ...).

De préférence, la turbomachine comporte une veine secondaire de passage d'un flux secondaire issu d'une soufflante, le premier échangeur étant disposé dans la veine secondaire.

En variante, le premier échangeur est conçu pour échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène et de l'air ambiant, externe à la turbomachine.

Selon une caractéristique de l'invention, le circuit d'huile est conçu pour lubrifier et/ou refroidir des éléments du moteur de la turbomachine et/ou un équipement, tel qu'un générateur électrique.

L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une turbomachine de l'art antérieur ;

- la figure 2 est une représentation schématique partielle d'un circuit d'huile de l'art antérieur ;

- la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2, illustrant une forme de réalisation d'un circuit d'huile d'une turbomachine, équipé d'un dispositif du type pompe à chaleur, conformément à l'invention.

La figure 1 illustre une turbomachine 1 de l'art antérieur comprenant une chambre de combustion 2, les gaz de combustion issus de la chambre entraînant une turbine haute pression 3 et une turbine basse pression 4. La turbine haute pression 3 est couplée par un arbre à un compresseur haute pression agencé en amont de la chambre de combustion 2 et alimentant cette dernière en air sous pression. La turbine basse pression 4 est couplée par un autre arbre à une roue de soufflante 5 agencée à l'extrémité amont de la turbomachine 1 .

Une boite de transmission 6, ou boite d'accessoires, est reliée par une prise de puissance mécanique 7 à l'arbre de turbine haute pression 3 et comprend un ensemble de pignons d'entraînement de différents équipements de la turbomachine, tels que des pompes et des générateurs, notamment électriques. D'autres transmissions de puissance peuvent également être utilisées.

La figure 2 représente un circuit d'huile 8 de la turbomachine de la figure 1 .

Le circuit d'huile 8 comprend, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement de l'huile, différents ensembles 9 utilisant de l'huile de lubrification et/ou de refroidissement, des pompes 10 de récupération permettant la recirculation d'huile depuis les équipements vers un réservoir 1 1 , des pompes d'alimentation 12 et un filtre 13.

Outre l'huile utilisée pour la lubrification et le refroidissement de la turbomachine 1 , notamment des paliers d'arbres de turbines et de compresseurs, le flux d'huile global peut comprendre de l'huile utilisée pour la lubrification de la boite d'accessoires et pour la lubrification et le refroidissement d'un ou plusieurs générateurs électriques.

Le circuit d'huile 8 comprend trois échangeurs de chaleur montés en série entre le filtre 13 et les ensembles 9, à savoir un échangeur de chaleur principal huile/carburant 14, un échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 15 et un échangeur de chaleur huile/air 16.

L'échangeur de chaleur huile/air 16 peut être du type surfacique, c'est-à-dire comprenant des conduits d'huile balayés par un flux d'air froid provenant d'un flux d'air de contournement communément appelé flux d'air secondaire. Un tel échangeur 16 est par exemple logé sur une paroi du canal du flux secondaire immédiatement en aval de la soufflante (figure 1 ).

En variante, l'échangeur de chaleur huile/air 16 peut être du type à plaques et traversé par un flux d'air prélevé dans le flux d'air secondaire et réinjecté en sortie dans celui-ci. Selon encore une variante, le flux d'air peut être prélevé à l'extérieur (air ambiant).

En fonctionnement, en sortie des pompes d'alimentation 12, l'huile traverse l'échangeur de chaleur huile/air 16, l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 15 puis l'échangeur de chaleur principal huile/carburant 14. Une conduite 17 est montée dans le circuit d'huile 8 en dérivation sur l'échangeur de chaleur huile/air 16 et comprend une entrée agencée entre la sortie du filtre 13 et l'entrée de l'échangeur de chaleur huile/air 16 et une sortie agencée entre la sortie de l'échangeur de chaleur huile/air 16 et l'entrée de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 15. Un clapet hydraulique 18 est monté dans la conduite de dérivation 17 et commande le passage du débit d'huile dans l'échangeur huile/air 16 ou à travers la conduite de dérivation 17 et l'échangeur de chaleur huile/air 16. L'huile sortant de l'échangeur de chaleur principal huile/carburant 14 circule ensuite vers le réservoir d'huile 1 1 .

En conditions froides de fonctionnement, le clapet 18 s'ouvre pour autoriser le passage d'huile à travers la conduite de dérivation 17.

Comme indiqué précédemment, les échangeurs huile/air 16 utilisés actuellement ont des rendements relativement faibles ce qui oblige à utiliser des échangeurs relativement encombrants. Or, comme ceux-ci sont placés dans le flux d'air secondaire, ils engendrent des perturbations aérodynamiques qui augmentent avec leurs dimensions, ce qui pénalise le rendement global de la turbomachine.

Afin d'éviter cela, l'invention propose de remplacer l'échangeur huile/air 16 par un dispositif thermodynamique 19 du type pompe à chaleur. Comme cela est illustré à la figure 3, ce dispositif 19 comporte un circuit de fluide frigorigène 20 équipé d'un premier échangeur de chaleur 21 apte à échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène et de l'air et formant un condenseur, un second échangeur 22 de chaleur apte à échanger de la chaleur entre le fluide frigorigène et l'huile du circuit d'huile 8 et formant un évaporateur, un détendeur 23 monté en aval du premier échangeur 21 et en amont du second échangeur 22, dans le sens de circulation du fluide frigorigène, et un compresseur 24 monté en aval du second échangeur 22 et en amont du premier échangeur 21 .

Le premier échangeur 21 peut être de type surfacique (conduits de fluide frigorigène balayés par un flux d'air), ou de types à plaques.

En fonctionnement, lorsqu'il est nécessaire de refroidir l'huile du circuit 8, le compresseur 24 est mis en route. L'évaporateur 22 permet alors vaporiser le fluide frigorigène en prélevant de la chaleur sur l'huile. Le compresseur 24 permet d'augmenter la pression et la température du fluide frigorigène en phase vapeur avant que ce dernier ne traverse le condenseur 21 où il libère de la chaleur dans l'air, par passage de l'état gazeux à l'état liquide. Le fluide frigorigène en phase liquide traverse ensuite le détendeur 23 qui a pour rôle de réduire sa pression et d'abaisser sa température, avant de traverser à nouveau l'évaporateur 22.

Un tel dispositif est en général caractérisé par son coefficient de performance (COP) qui peut être par exemple de l'ordre de 5. Ceci signifie que, pour une unité d'énergie apportée au compresseur 24 (sous forme d'énergie électrique), 5 unités d'énergie (sous forme de chaleur) sont prélevées à l'huile et transférées à l'air.

Le très bon rendement d'un tel dispositif 19 permet donc de limiter la taille de l'échangeur 21 entre l'air et le fluide frigorigène, de façon à ne pas impacter fortement le rendement de la turbomachine.

En particulier, la taille de l'échangeur est limitée par le fait que l'on peut avoir des échanges entre le fluide frigorigène et l'air avec des différences de température importantes.

Bien entendu, un tel dispositif thermodynamique pourrait être utilisé dans une turbomachine ayant un circuit d'huile 8 de structure différente de celle illustrée à la figure 3.