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WO2013034829A1 - Circuits d'huile et de carburant dans une turbomachine et procédé de gestion d ' échanges thermiques - Google Patents

Circuits d'huile et de carburant dans une turbomachine et procédé de gestion d ' échanges thermiques Download PDF

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WO2013034829A1
WO2013034829A1 PCT/FR2012/051904 FR2012051904W WO2013034829A1 WO 2013034829 A1 WO2013034829 A1 WO 2013034829A1 FR 2012051904 W FR2012051904 W FR 2012051904W WO 2013034829 A1 WO2013034829 A1 WO 2013034829A1
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fuel
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heat exchanger
air
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Sébastien GAMEIRO
Olivier Robert Michel DELEPIERRE-MASSUE
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Snecma
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Publication date
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to oil and fuel circuits in a turbomachine, such as a turboprop or an airplane turbojet engine.
  • a main oil / fuel heat exchanger arranged in the oil and fuel circuits is used downstream or upstream of an oil / air heat exchanger mounted in the oil circuit to cool the oil. oil coming out of the engine of the turbomachine.
  • the oil / air heat exchanger is traversed or swept by a flow of air coming from outside the turbomachine.
  • a bypass line is mounted on this exchanger between the oil inlet and the oil outlet and a control valve controls the flow of oil flowing through the oil / air heat exchanger and into the bypass line. to control the oil temperature exiting the oil / air heat exchanger and entering the main oil / fuel heat exchanger.
  • the valve In cold operating conditions, such as, for example, when the aircraft takes off, the valve is controlled to deflect the flow of oil towards the bypass line, which flow of oil then flows into the main oil / fuel exchanger. . In this way, the oil does not pass through the oil / air exchanger and is not cooled, which makes it possible to heat the fuel and to guarantee a minimum temperature for the fuel supplying the injectors and the servovalves.
  • the valve controls the passage of oil in the oil / air exchanger, which makes it possible to cool the oil and thus prevents its coking.
  • the cooled oil then flows into the main oil / fuel heat exchanger and yields a smaller amount of heat to the fuel, which prevents it from coking in the fuel injectors.
  • the secondary oil / fuel heat exchanger contributes to a significant heating of the fuel supplying the servovalves, which increases the risk of overheating the fuel and thus coking it.
  • the invention aims in particular to provide a simple, economical and effective solution to the problems mentioned above, to avoid the disadvantages of the known technique.
  • oil and fuel circuits in a turbomachine comprising a main oil / fuel heat exchanger crossed by the oil and fuel flow rates for the cooling of the oil as well as a fuel exchanger.
  • oil / air heat mounted in the oil circuit and traversed by a cooling air flow, a bypass line mounted between the inlet and the oil outlet of the oil / air exchanger and a control valve of the passage of the oil flow in the bypass line and in the oil / air exchanger, characterized in that an oil / fuel secondary heat exchanger is mounted in the bypass line.
  • the valve controls the circulation of oil in the oil / air exchanger and limits or prevents the passage of oil in the bypass duct through the secondary oil / fuel heat exchanger.
  • heating of the fuel by calorific transfer from the oil flow to the fuel flow is avoided, thereby reducing the risk of coking the fuel leaving the secondary oil / air heat exchanger.
  • the valve controls the flow of oil in the bypass line through the secondary oil / fuel heat exchanger, which allows a heating of the fuel supplying the servovalves.
  • the arrangement of the secondary heat exchanger in the bypass line allows decoupling of the fuel cooling function under hot operating conditions and the fuel heating function under cold operating conditions.
  • the invention makes it possible to reduce the pressure losses and backpressure that applies to the pumps upstream of the heat exchangers since there are only two heat exchangers in series under all operating conditions. . Indeed, in cold conditions, only the main oil / fuel heat exchanger and the oil / air heat exchanger are in series in the oil circuit and in hot conditions, only the main oil / air heat exchanger and the secondary oil / fuel heat exchanger are in series in this circuit.
  • the bypass line and the oil / air exchanger are connected by a common oil outlet to an oil inlet of the main oil / fuel exchanger.
  • the oil fluid leaving the oil / air exchanger and the secondary oil / fuel exchanger circulates directly in the main oil / fuel exchanger. It is thus possible by controlling the flow of oil passing through the oil / air exchanger and the secondary oil / fuel exchanger to control the temperature of the oil entering the main oil / fuel exchanger and thus to control the temperature of the fuel leaving the main exchanger.
  • control valve is traversed by the oil flow and is arranged upstream or downstream of the oil / air exchanger and the secondary oil / fuel exchanger.
  • the control valve may be a two-way or three-way valve. It can be of all-or-nothing type or an open / close degree control valve.
  • the secondary oil / fuel heat exchanger is traversed by a feed of hydraulic pressure supply fuel of equipment with variable geometry, which allows to simply heat up the flow of fuel at low flow that feeds organs of control of equipment with variable geometry.
  • the invention also relates to a turbomachine, such as an airplane turbojet or turboprop, comprising oil and fuel circuits as described above.
  • the invention also relates to a heat exchange management method between oil and fuel circuits of a turbomachine as described above, this method consisting in controlling the control valve to prohibit or allow the passage of the fuel. oil in the secondary oil / fuel exchanger and in the oil / air exchanger depending on the oil temperature.
  • the method consists in controlling the control valve to prevent the passage of the oil in the secondary oil / fuel exchanger and allow it in the oil / air exchanger when the oil temperature is relatively very high. because of the operating conditions of the turbomachine.
  • the method also consists in controlling the control valve to allow the passage of the oil in the secondary oil / fuel exchanger and prohibit it in the oil / air exchanger when the temperature of the the oil is relatively very low because of the operating conditions of the turbomachine. This avoids the cooling of the oil in the oil / air exchanger and allows the fuel to be sufficiently heated by means of the main and secondary heat exchangers.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a turbomachine of a known type
  • FIG. 2 is a partial schematic representation of the oil and fuel circuits according to the prior art
  • FIG. 3 is a partial schematic representation of the oil and fuel circuits according to the invention.
  • a turbomachine 10 comprises a combustion chamber 12, the combustion gases from the chamber 12 driving a high pressure turbine 14 and a low pressure turbine 16.
  • the high pressure turbine 14 is coupled by a shaft to a high pressure compressor 18 arranged upstream of the combustion chamber 12 and supplying the latter with pressurized air.
  • the low-pressure turbine 16 is coupled by another shaft to a fan 20 arranged at the upstream end of the turbomachine 10.
  • a transmission box 22, or accessory box, is connected by a mechanical power take-off 24 to the high-pressure turbine shaft and comprises a set of drive gears of different equipment of the turbomachine, such as pumps and generators, especially electric.
  • FIG. 2 represents oil and fuel circuits of the turbomachine of FIG. 1.
  • the fuel circuit 26 comprises, from upstream to downstream in the direction of flow of the fuel, a fuel tank 28, a low pressure pump 30, a high pressure pump 32 and a metering unit 34 of the known fuel. under the acronym FMU (Fuel Metering Unit).
  • FMU Full Metering Unit
  • the fuel passes into a main oil / fuel heat exchanger 36.
  • the fuel flow is divided into a first fraction fed to the fuel.
  • dosing unit 34 for supply a regulated fuel flow to injectors 38 of the combustion chamber 12 and a second fraction passing through an oil / fuel secondary heat exchanger 40.
  • the fuel is supplied to the unit metering device 34 which supplies pressurized servovalves 42 for controlling variable-geometry members such as variable-pitch stator vanes.
  • the oil circuit 44 comprises, from upstream to downstream in the direction of flow of the oil, an oil reservoir 46, 48 feed pumps of different sets 50 using oil of lubrication and / or cooling, and recovery pumps 52 for recirculating oil to the reservoir 46.
  • the overall oil flow may include oil used for the lubrication of the accessory box. and for the lubrication and cooling of one or more electric generators.
  • a pipe 56 is mounted in the bypass oil circuit on the exchanger 54 and comprises an inlet arranged between the output of the secondary oil / fuel heat exchanger 40 and the inlet of the oil / air heat exchanger 54, and an outlet connected to a valve 58 mounted at the outlet of the exchanger 54 for controlling the passage of the oil flow in the bypass line 56 or through the oil / air exchanger 54.
  • the control valve 58 is arranged upstream of the main oil / fuel heat exchanger 36. The oil exiting the main oil / fuel heat exchanger 36 then flows to the oil reservoir 46.
  • the oil / air heat exchanger 54 may be of the surface-cooling type, that is to say comprising oil ducts swept by a cold air flow coming from a bypass air flow. turbojet engine commonly called secondary air flow. Such an exchanger is for example housed on a wall of the secondary flow channel immediately downstream of the fan 20 ( Figure 1).
  • the oil / air heat exchanger 54 may also be of the air / oil plate type and traversed by a stream of air taken from the secondary air stream and reinjected at its outlet therein.
  • this architecture of the oil and fuel circuits provides in cold operating conditions that the oil leaving the recovery pumps 52 passes through the second secondary heat exchanger oil / fuel 40, which allows to heat up the flow of fuel.
  • fuel supplying servovalves 42 for controlling members with variable geometry.
  • the valve 58 is controlled to prohibit the passage of oil in the oil / air heat exchanger 54 to prevent too much cooling of the oil flow.
  • the flow of oil thus circulates in the bypass line 56 and passes through the main oil / fuel exchanger 36 and allows a heating of the supply fuel of the injectors 38 of the combustion chamber 12.
  • the hot oil leaving the recovery pumps 52 flows through the secondary oil / fuel heat exchanger 40, which contributes to further heating up the fuel when it would rather be limited to limit its heating. , and which increases the risk of overheating and coking of the feed fuel of the servovalves 52.
  • the valve 58 closes the oil flow in the branch pipe 56 and the oil flows through the oil / air exchanger so as to cool the oil flow, which passes through the main oil / fuel heat exchanger 36 and cools the fuel flow supplying the injectors 38.
  • the series assembly of the secondary oil / fuel heat exchanger 40, the oil / air heat exchanger 54 and the heat exchanger of main heat oil / fuel 36 induces high pressure losses in the oil circuit, in particular in cold operating conditions when the bypass line 56 is closed, the oil passing successively through the three heat exchangers 40, 54, 36. These pressure losses induce a strong back pressure on the oil recovery pumps 52.
  • This back pressure corresponds to the sum of the inlet pressure of the oil reservoir, the pressure difference between the input and output of the oil / fuel primary heat exchanger 36, the pressure difference between the inlet and the outlet of the control valve 58, the pressure difference between the inlet and the outlet of the oil / air heat exchanger 54, and the pressure difference between the inlet and the outlet of the secondary oil / fuel heat exchanger 40.
  • This back pressure imposes significant dimensions for the recovery pumps 52, which It weighs the turbomachine and can cause defusing of the oil recovery pumps.
  • the invention provides a solution to this problem by proposing to mount the secondary oil / fuel heat exchanger 60 in the bypass line 62 ( Figure 3).
  • the secondary oil / fuel heat exchanger 60 is connected at the inlet to the fuel flow and at the output to servovalves 42 for controlling members with variable geometry. via the dosing unit 34.
  • the valve 64 In hot operating conditions, typically for an oil temperature of the order of 140 ° C., the valve 64 is controlled so as to close the circulation of oil in the secondary oil / fuel heat exchanger 60 and allow the passage of the oil in the oil / air heat exchanger 54. This cooled oil then circulates in the main oil / fuel heat exchanger 36, which limits the heating of the fuel supplying the injectors 38 and the servo valves 42 of FIG. control of members with variable geometry. Thus, in conditions operating hot, the hot oil no longer passes through the secondary heat exchanger oil / fuel 60 which does not induce heating of the feed fuel servo valves 42.
  • valve 64 is controlled so as to allow the passage of oil in the bypass line 62 and prohibit the passage of oil in the oil / air fuel exchanger 54, which allows a heating of the fuel by the secondary oil / fuel heat exchanger 60.
  • the mounting of the oil / fuel secondary heat exchanger 60 in the bypass line 62 in parallel on the oil / air heat exchanger 54 makes it possible to reduce the pressure drops in the oil circuit since whatever the state of the control valve 64, there are more than two heat exchangers which are arranged in series and not three as in the prior art, Indeed, in cold operating conditions only the main heat exchangers 36 and secondary 60 are in series and in hot operating conditions, only the main oil / fuel heat exchanger 36 and the oil / air heat exchanger 54 are in series.
  • the valve 64 may be a two-way valve mounted in the branch line 62 between the inlet thereof and the inlet of the secondary oil / fuel exchanger 62 or between the outlet of the bypass line 62 and the outlet the secondary oil / fuel exchanger 60.
  • the two-way valve can be mounted in the oil passage 66 of the oil / air heat exchanger 54 between the inlet of this line 66 and the inlet of the oil / air heat exchanger. 54 or between the outlet of this line and the outlet of the oil / air heat exchanger 54.
  • the valve 64 is a three-way valve mounted upstream of the oil / air heat exchanger 54 and the secondary oil / fuel heat exchanger 60, the valve three channels connecting the inputs of the oil / air heat exchanger 54 and the secondary oil / fuel heat exchanger 60.
  • the three-way valve can be mounted downstream of the oil / air heat exchanger 54 and the oil / fuel secondary heat exchanger 60, the three-way valve connecting the outputs of the oil / air heat exchanger 54 and the secondary oil / fuel exchanger 60.
  • the valve 64 may be an on / off valve so as to completely close or open the oil supply of one of the oil / air heat exchanger 54 and the oil / fuel secondary heat exchanger 60 and completely opening or closing, respectively, the oil supply of the other of the oil / air heat exchanger 54 and the oil / fuel secondary heat exchanger 60.
  • the valve 64 may further be an opening / closing degree control valve.
  • a valve may be a two-way valve or a three-way valve described above.
  • the opening and closing of the valve 64 so as to allow or prohibit the passage of oil in the secondary oil / fuel heat exchanger 60 and in the oil / air heat exchanger 54 are controlled according to the temperature oil.
  • a temperature sensor is mounted between the feed pump 48 and the assemblies 50 for receiving the lubricating and cooling oil. The temperature value of the measured oil is transmitted to a calculator as well as to a display device in the cockpit of the aircraft.
  • the valve 64 is controlled so as to prevent passage through the bypass line 62, the oil then flowing through the exchanger of oil / air heat 54.
  • the valve 64 is controlled so as to prohibit the passage of the oil / air heat exchanger 60, the oil then flowing in the bypass line through the secondary heat exchanger oil / fuel 60.
  • valve 64 For temperature values between T1 and T2, and when the valve 64 is an opening degree-regulating valve, it may be advantageous to regulate the degree of opening / closing of the valve 64 so as to regulate the flow rate.
  • the valve 64 may also be a thermostatic valve comprising a thermosensitive probe designed to expand and contract as a function of temperature.
  • the thermosensitive probe is designed to actuate the opening or closing of the valve for a predetermined temperature threshold value so as to open or close the flow of oil to the secondary oil / fuel exchanger 60 and to the air / heat exchanger. oil 54.

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Abstract

Circuits d'huile et de carburant dans une turbomachine, comprenant un échangeur de chaleur principal huile/carburant (36) traversé par les débits d'huile et carburant pour le refroidissement de l'huile ainsi qu'un échangeur de chaleur huile/air (54) monté dans le circuit d'huile (68) et traversé par un débit d'air de refroidissement, une conduite de dérivation (62) montée entre l'entrée et la sortie d'huile de l'échangeur huile/air (54) et une vanne (64) de commande du passage du débit d'huile dans la conduite de dérivation (62) et dans l'échangeur huile/air (54), caractérisés en ce qu'un échangeur de chaleur secondaire huile/carburant (60) est monté dans la conduite de dérivation (62).

Description

CIRCUITS D'HUILE ET DE CARBURANT DANS UNE TURBOMACHINE ET PROCÉDÉ DE GESTION D ' ÉCHANGES THERMIQUES
L'invention concerne des circuits d'huile et de carburant dans une turbomachine, telle qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur d'avion.
5 II 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 d'organes tels que des paliers de roulements, l'huile étant refroidie par échange de chaleur avec le débit de carburant alimentant des injecteurs montés dans une chambre de combustion et des 10 servovalves de commande d'organes à géométrie variable tels que des aubes à calage variable.
A cette fin, on utilise un échangeur de chaleur principal huile/carburant agencé dans les circuits d'huile et de carburant en aval ou en amont d'un échangeur de chaleur huile/air monté dans le circuit de 15 l'huile pour refroidir l'huile sortant du moteur de la turbomachine.
L'échangeur de chaleur huile/air est parcouru ou balayé par un flux d'air provenant de l'extérieur de la turbomachine.
Une conduite de dérivation est montée sur cet échangeur entre l'entrée et la sortie d'huile et une vanne de commande permet de contrôler 20 le débit d'huile circulant à travers l'échangeur de chaleur huile/air et dans la conduite de dérivation de manière à piloter la température d'huile sortant de l'échangeur de chaleur huile/air et entrant dans l'échangeur de chaleur principal huile/carburant.
En conditions froides de fonctionnement, telles que par exemple au 25 décollage de l'avion, la vanne est commandée pour dévier le flux d'huile vers la conduite de dérivation, lequel flux d'huile circule ensuite dans l'échangeur principal huile/carburant. De cette manière l'huile ne traverse pas l'échangeur huile/air et n'est pas refroidie, ce qui permet de réchauffer le carburant et de garantir une température minimale pour le carburant 30 alimentant les injecteurs et les servovalves.
En conditions chaudes de fonctionnement, telles que par exemple à la fin du décollage et au début de la phase de croisière, la vanne commande le passage d'huile dans l'échangeur huile/air, ce qui permet de refroidir l'huile et évite ainsi sa cokéfaction. L'huile refroidie circule ensuite dans l'échangeur de chaleur principal huile/carburant et cède une plus faible quantité de chaleur au carburant, ce qui évite sa cokéfaction dans les injecteurs de carburant.
Ce type d'architecture des circuits d'huile et de carburant n'est pas toutefois entièrement satisfaisant. En effet, en conditions froides de fonctionnement, la capacité de l'échangeur de chaleur principal à transférer des calories du flux d'huile vers le flux de carburant peut ne pas être suffisante. Dans un environnement froid, l'eau présente dans le circuit de carburant peut givrer, perturbant l'alimentation en carburant des injecteurs de la chambre de combustion et principalement le fonctionnement des servovalves de commande des équipements à géométrie variable.
On a déjà proposé d'ajouter un échangeur de chaleur secondaire huile/carburant en amont de l'échangeur huile/air par rapport au sens de circulation de l'huile, pour réchauffer le carburant utilisé comme fluide hydraulique pour le pilotage des équipements à géométrie variable. Dans cette configuration, l'échangeur secondaire huile/carburant est monté immédiatement en aval de pompes de récupération d'huile en provenance d'équipements lubrifiés de manière à ce qu'il soit traversé par de l'huile chaude afin de permettre un bon transfert de calories vers le flux de carburant. Le débit de carburant servant de fluide hydraulique étant plus faible que le débit de carburant traversant l'échangeur de chaleur principal huile/carburant, il est ainsi possible de le réchauffer de manière aisée et d'éliminer les risques de givrage en conditions froides.
Toutefois, en conditions chaudes de fonctionnement, l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant contribue à un réchauffement important du carburant alimentant les servovalves, ce qui augmente le risque de surchauffe du carburant et donc de cokéfaction de celui-ci.
L'introduction d'un échangeur de chaleur secondaire huile/carburant en série avec l'échangeur principal huile/carburant et l'échangeur huile/air induit une augmentation des pertes de charge dans le circuit d'huile. Il s'ensuit que les pompes de récupération d'huile agencées en amont de l'échangeur secondaire huile/carburant subissent une contre-pression plus importante, ce qui impose d'augmenter leurs dimensions et donc leur masse de manière à conserver les mêmes performances.
Les architectures de circuits d'huile et de carburant décrites ci-dessus sont décrites dans les demandes de brevet FR2951228 et FR1061 138 de la demanderesse.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace aux problèmes mentionnés ci-dessus, permettant d'éviter les inconvénients de la technique connue.
A cette fin, elle propose des circuits d'huile et de carburant dans une turbomachine, comprenant un échangeur de chaleur principal huile/carburant traversé par les débits d'huile et de carburant pour le refroidissement de l'huile ainsi qu'un échangeur de chaleur huile/air monté dans le circuit d'huile et traversé par un débit d'air de refroidissement, une conduite de dérivation montée entre l'entrée et la sortie d'huile de l'échangeur huile/air et une vanne de commande du passage du débit d'huile dans la conduite de dérivation et dans l'échangeur huile/air, caractérisés en ce qu'un échangeur de chaleur secondaire huile/carburant est monté dans la conduite de dérivation.
En conditions chaudes de fonctionnement, la vanne commande la circulation d'huile dans l'échangeur huile/air et limite ou interdit le passage d'huile dans le conduit de dérivation à travers l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant. Ainsi, on évite un réchauffement du carburant par transfert de calories du flux d'huile vers le flux de carburant, ce qui permet de réduire les risques de cokéfaction du carburant sortant de l'échangeur de chaleur secondaire huile/air.
En conditions froides de fonctionnement, la vanne commande la circulation du flux d'huile dans la conduite de dérivation à travers l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant, ce qui permet un réchauffement du carburant alimentant les servovalves.
L'agencement de l'échangeur secondaire dans la conduite de dérivation permet de réaliser un découplage de la fonction de refroidissement du carburant en conditions chaudes de fonctionnement et de la fonction de réchauffage du carburant en conditions froides de fonctionnement.
Enfin, l'invention permet de réduire les pertes de charge et la contre- pression qui s'applique sur les pompes en amont des échangeurs de chaleur puisqu'il n'y a que deux échangeurs de chaleur en série dans toutes les conditions de fonctionnement. En effet, en conditions froides, seuls l'échangeur de chaleur principal huile/carburant et l'échangeur de chaleur huile/air sont en série dans le circuit d'huile et en conditions chaudes, seuls l'échangeur de chaleur principal huile/air et l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant sont en série dans ce circuit.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la conduite de dérivation et l'échangeur huile/air sont reliés par une sortie d'huile commune à une entrée d'huile de l'échangeur principal huile/carburant. De cette manière, le fluide d'huile qui sort de l'échangeur huile/air et de l'échangeur secondaire huile/carburant circule directement dans l'échangeur principal huile/carburant. Il est ainsi possible en contrôlant le débit d'huile passant dans l'échangeur huile/air et dans l'échangeur secondaire huile/carburant de contrôler la température de l'huile entrant dans l'échangeur principal huile/carburant et ainsi de contrôler la température du carburant sortant de l'échangeur principal.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la vanne de commande est traversée par le débit d'huile et est agencée en amont ou en aval de l'échangeur huile/air et de l'échangeur secondaire huile/carburant.
La vanne de commande peut être une vanne deux voies ou trois voies. Elle peut être du type fonctionnant en tout ou rien ou une vanne à commande du degré d'ouverture/fermeture. Avantageusement, l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant est traversé par un flux de carburant d'alimentation en pression hydraulique d'équipements à géométrie variable, ce qui permet de réchauffer de manière simple le flux de carburant à faible débit qui alimente des organes de commande des équipements à géométrie variable.
L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant des circuits d'huile et de carburant tels que décrits ci-dessus.
L'invention concerne encore un procédé de gestion d'échanges thermiques entre des circuits d'huile et de carburant d'une turbomachine tels que décrits ci-dessus, ce procédé consistant à piloter la vanne de commande pour interdire ou autoriser le passage de l'huile dans l'échangeur secondaire huile/carburant et dans l'échangeur huile/air en fonction de la température de l'huile.
Avantageusement, le procédé consiste à piloter la vanne de commande pour interdire le passage de l'huile dans l'échangeur secondaire huile/carburant et l'autoriser dans l'échangeur huile/air quand la température de l'huile est relativement très élevée en raison des conditions de fonctionnement de la turbomachine.
De cette manière, on évite en conditions chaudes de fonctionnement le réchauffement du carburant traversant l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste également à piloter la vanne de commande pour autoriser le passage de l'huile dans l'échangeur secondaire huile/carburant et l'interdire dans l'échangeur huile/air quand la température de l'huile est relativement très basse en raison des conditions de fonctionnement de la turbomachine. Ceci évite le refroidissement de l'huile dans l'échangeur huile/air et permet de réchauffer suffisamment le carburant au moyen des échangeurs de chaleur principal et secondaire.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une turbomachine d'un type connu ;
- la figure 2 est une représentation schématique partielle des circuits d'huile et de carburant selon la technique antérieure ;
- la figure 3 est une représentation schématique partielle des circuits d'huile et de carburant selon l'invention.
De manière bien connue de l'homme du métier, une turbomachine 10 comprend une chambre de combustion 12, les gaz de combustion issus de la chambre 12 entraînant une turbine haute pression 14 et une turbine basse pression 16. La turbine haute pression 14 est couplée par un arbre à un compresseur haute pression 18 agencé en amont de la chambre de combustion 12 et alimentant cette dernière en air sous pression. La turbine basse pression 16 est couplée par un autre arbre à une soufflante 20 agencée à l'extrémité amont de la turbomachine 10.
Une boite de transmission 22, ou boite d'accessoires, est reliée par une prise de puissance mécanique 24 à l'arbre de turbine haute pression et comprend un ensemble de pignons d'entraînement de différents d'équipements de la turbomachine, tels que des pompes et des générateurs, notamment électriques.
La figure 2 représente des circuits d'huile et de carburant de la turbomachine de la figure 1 .
Le circuit de carburant 26 comprend, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement du carburant, un réservoir de carburant 28, une pompe basse pression 30, une pompe haute pression 32 et une unité de dosage 34 du carburant connue sous l'acronyme anglais FMU (« Fuel Metering Unit »). Entre la pompe basse pression 30 et la pompe haute pression 32, le carburant passe dans un échangeur de chaleur principal huile/carburant 36. En sortie de la pompe haute pression 32, le débit de carburant est partagé en une première fraction amenée à l'unité de dosage 34 pour fournir un débit de carburant régulé à des injecteurs 38 de la chambre de combustion 12 et en une deuxième fraction traversant un échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 40. En sortie de cet échangeur de chaleur secondaire 40, le carburant est amené à l'unité de dosage 34 qui alimente sous pression des servovalves 42 de commande d'organes à géométrie variable tels que des aubes de redresseur à calage variable.
Le circuit d'huile 44 comprend, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement de l'huile, un réservoir d'huile 46, des pompes 48 d'alimentation de différents ensembles 50 utilisant de l'huile de lubrification et/ou de refroidissement, et des pompes de récupération 52 permettant la recirculation d'huile vers le réservoir 46.
Outre l'huile utilisée pour la lubrification et le refroidissement de la turbomachine, 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 22 et pour la lubrification et le refroidissement d'un ou plusieurs générateurs électriques.
En sortie des pompes de récupération 52, l'huile traverse l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 40 puis un échangeur de chaleur huile/air 54. Une conduite 56 est montée dans le circuit d'huile en dérivation sur l'échangeur 54 et comprend une entrée agencée entre la sortie de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 40 et l'entrée de l'échangeur de chaleur huile/air 54, et une sortie reliée à une vanne 58 montée en sortie de l'échangeur 54 pour commander le passage du débit d'huile dans la conduite de dérivation 56 ou à travers l'échangeur huile/air 54. La vanne de commande 58 est agencée en amont de l'échangeur de chaleur principal huile/carburant 36. L'huile sortant de l'échangeur de chaleur principal huile/carburant 36 circule ensuite vers le réservoir d'huile 46.
L'échangeur de chaleur huile/air 54 peut être du type à refroidissement de surface, c'est-à-dire comprenant des conduits d'huile balayés par un flux d'air froid provenant d'un flux d'air de contournement du turboréacteur communément 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 20 (figure 1 ).
L'échangeur de chaleur huile/air 54 peut aussi être du type à plaques air/huile et traversé par un flux d'air prélevé dans le flux d'air secondaire et réinjecté en sortie dans celui-ci.
Comme indiqué précédemment, cette architecture des circuits d'huile et de carburant prévoit en conditions froides de fonctionnement que l'huile sortant des pompes de récupération 52 traverse le second échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 40, ce qui permet de réchauffer le flux de carburant alimentant les servovalves 42 de commande des organes à géométrie variable. Dans cette configuration, la vanne 58 est commandée de manière à interdire le passage d'huile dans l'échangeur de chaleur huile/air 54 afin d'éviter un refroidissement trop important du flux d'huile. Le flux d'huile circule ainsi dans la conduite de dérivation 56 et traverse l'échangeur principal huile/carburant 36 et permet un réchauffement du carburant d'alimentation des injecteurs 38 de la chambre de combustion 12.
Toutefois, en conditions chaudes de fonctionnement, l'huile chaude sortant des pompes de récupération 52 circule à travers l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 40, ce qui contribue à réchauffer davantage le carburant alors que l'on souhaiterait plutôt limiter son réchauffement, et qui augmente le risque de surchauffe et de cokéfaction du carburant d'alimentation des servovalves 52. Dans de telles conditions chaudes de fonctionnement, la vanne 58 ferme la circulation d'huile dans le conduit de dérivation 56 et l'huile circule à travers l'échangeur huile/air de manière à refroidir le flux d'huile, qui traverse l'échangeur de chaleur principal huile/carburant 36 et refroidit le flux de carburant alimentant les injecteurs 38.
Le montage en série de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 40, de l'échangeur de chaleur huile/air 54 et de l'échangeur de chaleur principal huile/carburant 36 induit de fortes pertes de charge dans le circuit d'huile, en particulier en conditions froides de fonctionnement lorsque la conduite de dérivation 56 est fermée, l'huile traversant successivement les trois échangeurs de chaleur 40, 54, 36. Ces pertes de charge induisent une forte contre-pression sur les pompes de récupération d'huile 52. Cette contre-pression correspond à la somme de la pression d'entrée du réservoir d'huile, de la différence de pression entre l'entrée et la sortie de l'échangeur de chaleur primaire huile/carburant 36, de la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la vanne de commande 58, de la différence de pression entre l'entrée et la sortie de l'échangeur de chaleur huile/air 54, et de la différence de pression entre l'entrée et la sortie de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 40. Cette contre- pression impose des dimensions importantes pour les pompes de récupération 52, ce qui alourdit la turbomachine et peut provoquer des désamorçages des pompes de récupération d'huile.
L'invention apporte une solution à ce problème en proposant de monter l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60 dans la conduite de dérivation 62 (figure 3).
De manière similaire à ce qui a été décrit précédemment en référence à la figure 2, l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60 est relié en entrée au flux de carburant et en sortie à des servovalves 42 de commande d'organes à géométrie variable par l'intermédiaire de l'unité de dosage 34.
En conditions chaudes de fonctionnement, typiquement pour une température de l'huile de l'ordre de 140°C, la vanne 64 est commandée de manière à fermer la circulation d'huile dans l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60 et autoriser le passage de l'huile dans l'échangeur de chaleur huile/air 54. Cet huile refroidie circule ensuite dans l'échangeur de chaleur principal huile/carburant 36, ce qui limite le réchauffement du carburant alimentant les injecteurs 38 et les servovalves 42 de commande des organes à géométrie variable. Ainsi, en conditions chaudes de fonctionnement, l'huile chaude ne traverse plus l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60 lequel n'induit pas de réchauffement du carburant d'alimentation des servovalves 42.
En conditions froides de fonctionnement, typiquement pour une température de l'huile de l'ordre de 60°C, la vanne 64 est commandée de manière à autoriser le passage d'huile dans la conduite de dérivation 62 et interdire le passage d'huile dans l'échangeur de carburant huile/air 54, ce qui permet un réchauffement du carburant par l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60.
Le montage de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60 dans la conduite de dérivation 62 en parallèle sur l'échangeur de chaleur huile/air 54 permet de réduire les pertes de charge dans le circuit d'huile puisque quel que soit l'état de la vanne de commande 64, il n'y a plus que deux échangeurs de chaleur qui sont agencés en série et non trois comme dans la technique antérieure, En effet, en conditions froides de fonctionnement seuls les échangeurs de chaleur principal 36 et secondaire 60 sont en série et en conditions chaudes de fonctionnement, seuls l'échangeur de chaleur principal huile/carburant 36 et l'échangeur de chaleur huile/air 54 sont en série.
La vanne 64 peut être une vanne deux voies montée dans la conduite de dérivation 62 entre l'entrée de celle-ci et l'entrée de l'échangeur secondaire huile/carburant 62 ou entre la sortie de la conduite de dérivation 62 et la sortie de l'échangeur secondaire huile/carburant 60.
En variante, la vanne deux voies peut être montée dans la conduite 66 de passage d'huile de l'échangeur de chaleur huile/air 54 entre l'entrée de cette conduite 66 et l'entrée de l'échangeur de chaleur huile/air 54 ou entre la sortie de cette conduite et la sortie de l'échangeur de chaleur huile/air 54.
Dans une autre variante de réalisation de l'invention, la vanne 64 est une vanne trois voies montée en amont de l'échangeur de chaleur huile/air 54 et de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60, la vanne trois voies reliant les entrées de l'échangeur de chaleur huile/air 54 et de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60. De manière alternative, la vanne trois voies peut être montée en aval de l'échangeur de chaleur huile/air 54 et de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60, la vanne trois voies reliant les sorties de l'échangeur de chaleur huile/air 54 et de l'échangeur secondaire huile/carburant 60.
La vanne 64 peut être une vanne fonctionnant en tout ou rien de manière à complètement fermer ou ouvrir l'alimentation en huile de l'un de l'échangeur de chaleur huile/air 54 et de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60 et complètement ouvrir ou fermer, respectivement, l'alimentation en huile de l'autre de l'échangeur de chaleur huile/air 54 et de l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60.
La vanne 64 peut encore être une vanne à commande du degré d'ouverture/fermeture. Une telle vanne peut être une vanne deux voies ou une vanne trois voies décrites précédemment.
L'ouverture et la fermeture de la vanne 64 de manière à autoriser ou interdire le passage d'huile dans l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60 et dans l'échangeur de chaleur huile/air 54 sont pilotées en fonction de la température de l'huile. A cette fin, une sonde de température est montée entre la pompe d'alimentation 48 et les ensembles 50 destinés à recevoir l'huile de lubrification et de refroidissement. La valeur de température de l'huile mesurée est transmise à un calculateur ainsi qu'à un dispositif d'affichage dans le cockpit de l'avion.
Lorsque la température de l'huile est supérieure à une température T1 de l'ordre de 120°C, la vanne 64 est commandée de manière à interdire le passage dans la conduite de dérivation 62, l'huile circulant alors à travers l'échangeur de chaleur huile/air 54.
Lorsque la température de l'huile est inférieure à une température T2 de l'ordre de 30°C, la vanne 64 est commandée de manière à interdire le passage l'échangeur de chaleur huile/air 60, l'huile circulant alors dans la conduite de dérivation à travers l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60.
Pour des valeurs de températures comprises entre T1 et T2, et lorsque la vanne 64 est une vanne à régulation du degré d'ouverture, il peut être intéressant de réguler le degré d Ouverture/fermeture de la vanne 64 de manière à réguler le débit d'huile circulant dans l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant 60 et dans l'échangeur de chaleur air/huile 54. De cette façon, il est possible de mieux contrôler la température de l'huile et celle du carburant.
La vanne 64 peut également être une vanne thermostatique comprenant une sonde thermosensible prévue pour se dilater et se contracter en fonction de la température. La sonde thermosensible est prévue pour actionner l'ouverture ou la fermeture de la vanne pour une valeur seuil de température prédéterminée de manière à ouvrir ou fermer la circulation d'huile vers l'échangeur secondaire huile/carburant 60 et vers l'échangeur air/huile 54.
Sans sortir du cadre de l'invention, il serait possible de monter les deux échangeurs 36 et 60 huile/carburant et l'échangeur de chaleur huile/air 54 ainsi que la vanne 64, selon l'architecture selon l'invention, entre la sortie des pompes d'alimentation 48 et l'entrée des ensembles 50 recevant l'huile de lubrification et de refroidissement, le principe de fonctionnement de l'ensemble formé des circuits d'huile 68 et de carburant 70 restant identique à ce qui a été décrit en référence à la figure 3.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Circuits d'huile et de carburant dans une turbomachine, comprenant un échangeur de chaleur principal huile/carburant (36) traversé par les débits d'huile et carburant pour le refroidissement de l'huile ainsi qu'un échangeur de chaleur huile/air (54) monté dans le circuit d'huile (68) et traversé par un débit d'air de refroidissement, une conduite de dérivation (62) montée entre l'entrée et la sortie d'huile de l'échangeur huile/air (54) et une vanne (64) de commande du passage du débit d'huile dans la conduite de dérivation (62) et dans l'échangeur huile/air (54), caractérisés en ce qu'un échangeur de chaleur secondaire huile/carburant (60) est monté dans la conduite de dérivation (62).
2. Circuits d'huile et de carburant selon la revendication 1 , caractérisés en ce que la conduite de dérivation (62) et l'échangeur huile/air (54) sont reliés par une sortie d'huile commune à une entrée d'huile de l'échangeur principal huile/carburant (36).
3. Circuits d'huile et de carburant selon la revendication 1 ou 2, caractérisés en ce que la vanne de commande (64) est traversée par le débit d'huile et est agencée en amont ou en aval de l'échangeur huile/air (54) et de l'échangeur secondaire huile/carburant (60).
4. Circuits d'huile et de carburant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que la vanne de commande (64) est une vanne deux voies ou trois voies.
5. Circuits d'huile et de carburant selon l'une des revendications précédentes, caractérisés en ce que la vanne de commande est du type fonctionnant en tout ou rien ou une vanne à commande du degré d'ouverture/fermeture.
6. Circuits d'huile et de carburant selon l'une des revendications précédentes, caractérisés en ce que l'échangeur de chaleur secondaire huile/carburant (60) est traversé par un flux de carburant d'alimentation en pression hydraulique d'équipements à géométrie variable.
7. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend des circuits d'huile (68) et de carburant (70) selon l'une des revendications précédentes.
8. Procédé de gestion d'échanges thermiques entre des circuits d'huile et de carburant d'une turbomachine selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il consiste à piloter la vanne de commande (64) pour interdire ou autoriser le passage de l'huile dans l'échangeur secondaire huile/carburant (60) et dans l'échangeur huile/air (54) en fonction de la température de l'huile.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à piloter la vanne de commande (64) pour interdire le passage de l'huile dans l'échangeur secondaire huile/carburant (60) et l'autoriser dans l'échangeur huile/air (54) quand la température de l'huile est relativement très élevée en raison des conditions de fonctionnement de la turbomachine.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il consiste à piloter la vanne de commande (64) pour autoriser le passage de l'huile dans l'échangeur secondaire huile/carburant (60) et l'interdire dans l'échangeur huile/air (54) quand la température de l'huile est relativement très basse en raison des conditions de fonctionnement de la turbomachine.
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