FR3028019A1 - Panneau d'echange thermique et de reduction de bruit pour une turbomachine - Google Patents

Abstract

Panneau (10) d'échange thermique et de réduction de bruit pour une turbomachine, en particulier d'aéronef, le panneau comprenant - une surface externe (22) destinée à être balayée par un flux d'air et à partir de laquelle s'étendent des ailettes (26), suivant une première et une deuxième directions principales prédéterminées, au moins une cavité (20) formant résonateur de Helmholtz, reliée à l'une des extrémités d'au moins un canal (30) de passage d'air dont l'autre des extrémités débouche sur ladite surface externe, de sorte que ledit au moins un canal forme un col dudit résonateur de Helmholtz s'étendant sensiblement suivant la première direction des ailettes, au moins une chambre (16) de circulation d'huile s'étendant entre ladite surface externe et ladite au moins une cavité, et destinée à évacuer de l'énergie calorifique apportée par l'huile. Selon l'invention, ce panneau a des paramètres dimensionnels optimisés.

Description

Panneau d'échange thermique et de réduction de bruit pour une turbomachine DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un panneau d'échange thermique et de réduction de bruit pour une turbomachine, en particulier d'aéronef. ETAT DE L'ART Une turbomachine, telle qu'un turboréacteur à double flux, comprend classiquement une entrée d'air comportant une soufflante dont le flux d'air en sortie se divise en un flux d'air qui pénètre dans le moteur et forme un flux chaud ou flux primaire, et en un flux d'air qui s'écoule autour du moteur et qui forme un flux froid ou flux secondaire. Le moteur comprend typiquement d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz, au moins un compresseur, une chambre de combustion, au moins une turbine, et une tuyère d'éjection dans laquelle les gaz de combustion sortant de la turbine et formant le flux primaire sont mélangés au flux secondaire. La soufflante de la turbomachine est entourée par un carter de soufflante qui est intégré à la nacelle de la turbomachine. Il est connu de 20 tapisser la surface interne de ce carter avec des panneaux acoustiques pour limiter la propagation du bruit généré par la soufflante. Le carter peut également être équipé d'échangeurs thermiques surfaciques à huile du type SACOC (acronyme de l'anglais Surface Air Cooled Oit Cooler). Un échangeur de ce type comprend une surface 25 externe destinée à être balayée par le flux d'air secondaire et sur laquelle sont situées des ailettes, et au moins une chambre de circulation d'huile s'étendant sous la surface externe. La surface externe est destinée à évacuer de l'énergie calorifique apportée par l'huile. Selon l'architecture du moteur, l'énergie calorifique de l'huile à dissiper peut être très importante, 30 l'huile pouvant atteindre 160°C environ.

Certaines turbomachines comportent des nacelles relativement courtes en dimension longitudinale. Il y a donc moins de place pour installer les équipements et en particulier les échangeurs thermiques ainsi que les panneaux acoustiques servant à atténuer le bruit de la soufflante.

Ainsi, l'encombrement et l'intégration des équipements deviennent des problématiques majeures, en particulier l'installation d'échangeurs thermiques et de panneaux acoustiques dans la veine du flux secondaire. On a déjà proposé, dans le document US-B1-8,544,531, d'intégrer les fonctions échangeur air/huile et traitement acoustique dans un même équipement pour ne plus avoir de compétition entre les deux besoins sur une zone d'installation. La présente invention propose un perfectionnement à cette technologie, qui permet notamment d'optimiser la conception et l'agencement des fonctions d'échange thermique air/huile et de traitement acoustique sur une zone d'installation. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose un panneau d'échange thermique et de réduction de bruit pour une turbomachine, en particulier d'aéronef, le panneau comprenant : - une surface externe destinée à être balayée par un flux d'air et à partir de laquelle s'étendent des ailettes, suivant une première et une deuxième directions principales prédéterminées, de préférence sensiblement perpendiculaires, - au moins une cavité formant résonateur de Helmholtz, reliée à l'une des extrémités d'au moins un canal de passage d'air dont l'autre des extrémités débouche sur ladite surface externe, de sorte que ledit au moins un canal forme un col dudit résonateur de Helmholtz s'étendant sensiblement suivant la première direction des ailettes, - au moins une chambre de circulation d'huile s'étendant entre ladite surface externe et ladite au moins une cavité, et destinée à évacuer de l'énergie calorifique apportée par l'huile, l'empilement de ladite surface externe, de ladite au moins une cavité et de ladite au moins une chambre s'étendant sensiblement suivant la première direction, caractérisé en ce que : - les ailettes ont une dimension e dans une direction sensiblement perpendiculaire auxdites première et deuxième directions comprise entre 0,5 et 2mm et sont espacées les unes des autres d'une distance a suivant une direction sensiblement perpendiculaire audites première et deuxième directions comprise entre 1 et 5mm, - la chambre d'huile a une dimension c sensiblement dans ladite première direction comprise entre 1 et lOmm, - ledit au moins un canal a un diamètre moyen d compris entre 1 et 2mm, - ladite au moins une cavité a une dimension f sensiblement dans ladite première direction comprise entre 5 et 150mm, et - le taux de perforation a de ladite surface externe est compris entre 5 et 10%. L'invention propose ainsi de combiner les fonctions précitées d'échangeur thermique air/huile et de traitement acoustique dans un même équipement sous la forme d'un panneau. Plus précisément, l'invention propose un dimensionnement précis d'éléments essentiels de ce panneau pour son utilisation dans une turbomachine. Les différents paramètres dimensionnels du panneau ont été optimisés pour assurer une atténuation acoustique à des fréquences comprises entre 400 et 2000Hz. Dans la présente demande, on entend par taux de perforation, le rapport entre les sections cumulées des débouchés du ou des canaux sur la surface des résonateurs, et l'aire de la surface occupée par les résonateurs. La différence entre la surface externe et celle des résonateurs peut être négligeable. Les résonateurs sont séparés par des parois réduisant leur surface par rapport à la surface externe. Mais en première approximation, les deux surfaces sont équivalentes. Concernant les canaux, le diamètre côté externe et côté résonateur sont de préférence les mêmes, en particulier si le canal est cylindrique. S'il y a une légère conicité, le diamètre comptant réellement est en général celui communiquant sur les résonateurs. On entend par résonateur de Helmholtz un système acoustique comprenant un col, en général de petite taille, raccordée à une cavité de plus grand taille et pouvant entrer en résonance. Le col assure la communication entre les ondes sonores à atténuer et la cavité. Une fois le système optimisé, le col assure la dissipation visco-thermique (mouvements rapides et alternés des ondes sonores au travers des cols qui dissipent l'énergie sonore par frottement). L'accord en fréquence, c'est- à-dire l'optimisation qui permet de générer ces vitesses maximales aux fréquences à atténuer, se fait majoritairement via le volume des cavités résonantes, c'est-à-dire leurs dimensions et en particulier leur hauteur. On précisera que, vu l'environnement thermique, les températures locales pourront être prisent en compte pour optimiser correctement le système. On entend par diamètre moyen, le diamètre d'un canal lorsqu'il est cylindrique, la moyenne des diamètres d'un canal lorsqu'il a une section circulaire non constante et qu'il est par exemple évasée ou tronconique, et le diamètre d'une section circulaire équivalente à la section du canal lorsque cette dernière n'est pas circulaire et est par exemple rectangulaire. Le panneau selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - les ailettes ont une dimension b sensiblement dans ladite première direction comprise entre 10 et 25mm, - le panneau comprend une matrice de canaux de passage d'air, qui sont régulièrement répartis dans ladite chambre, - au moins une et de préférence une unique rangée de débouchés de canaux de passage d'air s'étend entre deux ailettes adjacentes, - les débouchés des canaux de ladite rangée sont espacés les uns des autres d'une distance g dans une direction sensiblement parallèle à ladite deuxième direction comprise entre 1,57 et 31,42mm, - le panneau a une forme générale incurvée et est configuré pour former un secteur d'une enveloppe annulaire d'échange thermique et de réduction de bruit, par exemple pour une nacelle de turbomachine, - ledit au moins un canal a une forme générale longitudinale cylindrique ou tronconique, - le panneau comprend au moins deux cavités formant résonateur de Helmholtz, qui communiquent entre elles, et - ladite première direction est sensiblement perpendiculaire ou inclinée par rapport à ladite surface externe. La présente invention concerne également une turbomachine, notamment d'aéronef, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un panneau tel que décrit ci-dessus. DESCRIPTION DES FIGURES 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 et en référence aux dessins 20 annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique en perspective d'un panneau d'échange thermique et de réduction de bruit selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-Ill de la figure 1, 25 - la figure 4 est une vue de dessus du panneau de la figure 1, - les figures 5 à 8 sont des vues similaires à celle de la figure 3 et illustrant d'autres variantes de réalisation de l'invention, et - les figures 9 et 10 sont des vues similaires à celle de la figure 4 et illustrant d'autres variantes de réalisation de l'invention. 30 DESCRIPTION DETAILLEE On se réfère d'abord aux figures 1 à 4 qui représente un mode de réalisation d'un panneau 10 selon l'invention d'échange thermique et de réduction de bruit pour une turbomachine d'aéronef. Dans la description qui suit, les termes tels que « sous », «en dessous », « sur », « au-dessus », « supérieur », « inférieur », etc., s'entendent selon l'orientation des figures. De même, les dimensions sont exprimées en fonction de cette orientation des figures. Ainsi, une « hauteur » fait référence à une dimension qui s'étend verticalement ou du bas vers le haut (ou inversement), une « épaisseur », une « longueur » et une « largeur », voire une « distance », s'entendent comme des dimensions mesurées dans un plan sensiblement horizontal. Le panneau 10 comprend essentiellement trois parties ou couches superposées à savoir : - une partie externe 12 destinée à être exposée à un flux d'air de refroidissement, tel qu'un flux d'air secondaire de la turbomachine, - une partie intermédiaire 14 comportant une chambre 16 de circulation d'huile à refroidir, et - une partie interne 18 comportant des cavités d'air 20. Les parties 12 et 14 forment un échangeur thermique surfacique du 20 type SACOC et les parties 14 et 18 forment un panneau acoustique à résonateurs de Helmholtz. La partie externe 12 comprend une surface externe 22 qui est destinée à être balayée par le flux d'air 24 et sur laquelle sont situées des ailettes 26. Les ailettes 26 s'étendent suivant une première direction 25 principale, ici verticale, ainsi que suivant une deuxième direction principale ici horizontale, à partir de la surface 24. Les première et deuxième directions sont sensiblement perpendiculaires. On définit la direction horizontale perpendiculaire aux première et deuxième directions, comme étant la troisième direction. De l'air circule entre les ailettes 26 qui sont 30 notamment destinées à augmenter les surfaces d'échange thermique avec l'air. Dans l'exemple représenté, les ailettes 26 sont de préférence rectilignes, parallèles et indépendantes, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas reliées entre elles. D'autres agencements sont toutefois envisageables, comme cela sera décrit plus loin. La surface externe 22 est représentée ici avec une forme sensiblement carrée ou rectangulaire d'aire ou de surface notée A. Bien que la surface 22 soit ici présentée comme plane, elle pourrait avoir une forme incurvée en particulier lorsque le panneau 10 est incurvé pour faciliter son montage dans un carter annulaire de la turbomachine par exemple. Un panneau 10 de forme générale incurvée est configuré pour former un secteur d'une enveloppe annulaire d'échange thermique et de réduction de bruit, par exemple pour une nacelle de turbomachine. Les ailettes 26 s'étendent sur sensiblement toute la longueur ou dimension longitudinale de la surface 22, suivant la deuxième direction horizontale précitée. Leur nombre est défini de manière connue, en fonction notamment des conditions d'échange à satisfaire. La chambre 16 de circulation d'huile s'étend sous la surface externe 22, sur sensiblement toute son étendue. Elle est reliée à une entrée et à une sortie d'huile, qui ne sont pas représentées dans les dessins. La direction et/ou le sens de circulation de l'huile dans la chambre peu(ven)t être le(s) même(s) que celui(ceux) de l'air sur la surface 22 (flèche 28) ou peu(ven)t être différent(s). Les cavités d'air 20 de la troisième partie 18 sont situées sous la chambre d'huile 16. Elles sont de préférence régulièrement réparties et sensiblement identiques. Elles s'étendent les unes à côté des autres dans un même plan sensiblement parallèle à la surface 22. Ces cavités 20 sont reliées à des extrémités longitudinales inférieures de canaux 30 de passage d'air dont les extrémités longitudinales supérieures débouchent et forment des orifices 32 sur la surface 22. L'ensemble formé par les canaux 30 et les cavités 20 forment des résonateurs de Helmholtz, les canaux formant des cols et les cavités formant des cavités résonantes de ces résonateurs. Au moins certaines des cavités 20 peuvent communiquer entre elles, comme représenté sur les figures 7 et 8. Préférentiellement, les canaux 30 sont répartis en matrice. Ainsi, les canaux 30 sont réparties en lignes et colonnes dans la chambre d'huile 16.

Dans l'exemple représenté, les lignes ou rangées de canaux 30 sont parallèles aux ailettes 26 et une rangée d'orifices 32 s'étend entre deux ailettes adjacentes. L'invention propose un dimensionnement optimisé du panneau 10 de façon à atténuer le plus possible les fréquences acoustiques d'une 10 turbomachine, à savoir celles comprises entre 400 et 2000HZ. Selon l'invention : - les ailettes 26 ont une épaisseur e (c'est-à-dire une dimension suivant la troisième direction) comprise entre 0,5 et 2mm et sont espacées les unes des autres d'une distance a (suivant la troisième direction) comprise entre 1 15 et 5mm, - la chambre d'huile 16 a une hauteur c (dans la première direction verticale) comprise entre 1 et lOmm, - les canaux 30 ont un diamètre moyen d compris entre 1 et 2mm, - les cavités 20 ont une hauteur f (dans la première direction verticale) 20 comprise entre Set 150mm, et - le taux de perforation a de ladite surface externe est compris entre 5 et 10%. Ce taux de perforation est égal au rapport des sections cumulées des orifices 32 (n.n.(d/2)2, n étant le nombre d'orifices 32 ou de canaux 30) avec l'aire A de la surface des résonateurs, que l'on considère comme 25 sensiblement égale à la surface externe 22. La fréquence d'accord d'un résonateur de Helmholtz peut être approximée par la formule suivante : 30 Free!, d'accord = 9 10 avec C célérité du son (m/s) S section du col (m2) / volume du résonateur ( longueur de col corrigée (m) ou = I + avec longueur géométrique de col(m) 5 correction de col 5 - 1.7r 1- 0.7fcrl pour des résonateurs juxtaposés rayon d'un orifice (m) o- taux de perforation Dans cette formule, la section du col S revient à la section précitée d'un orifice 32, le volume du résonateur V revient au volume d'une cavité 20, et la longueur de col I ou l' revient sensiblement à l'épaisseur c de la 15 chambre d'huile 16. Par ailleurs, avantageusement : - les ailettes 26 ont une hauteur b (dans la première direction verticale) comprise entre 10 et 25mm, et - les orifices 32 sont, au sein d'une même rangée, espacés les uns des 20 autres d'une distance g (suivant la deuxième direction) comprise entre 1,57 et 31,42mm, et entre deux rangées adjacentes, espacés les uns des autres d'une distance h (suivant la troisième direction) comprise entre 1 et 5 mm. Les canaux 30 ont des axes longitudinaux sensiblement perpendiculaires à ladite surface externe 22 ou inclinés par rapport à ladite 25 surface externe 22. Ils ont une forme générale longitudinale cylindrique dans l'exemple représenté aux figures 1 à 4. Ils pourraient avoir une autre forme et par exemple tronconique vers les cavités 20, comme représenté en figure 5. Les canaux 30' de la figure 5 ont une section d'entrée, c'est-à-dire une section prise à l'orifice 32 par lequel le canal 30 débouche à la 30 surface 22, inférieure à leur section opposée dite de sortie. Les canaux 30 ont une section transversale de forme sensiblement rectangulaire, circulaire ou elliptique. Ceci permet notamment de limiter la réduction de la largeur de bande fréquentielle d'atténuation induit par la longueur des canaux 30', c'est-à-dire par la hauteur de la chambre d'huile 16. Par ailleurs, comme représenté aux figures 6 et 7, des passages d'air 40 pourraient être prévus entre les cavités résonantes 20 pour optimiser les échanges thermiques entre elles. Cette option permet en outre de s'affranchir des problèmes liés aux dilatations des cloisons qui définissent les cavités 20. Ces passages d'air peuvent être situés au niveau des extrémités supérieures des cavités (figure 6) ou au niveau de leurs extrémités inférieures (figure 7). Les figures 8 à 10 représentent d'autres variantes d'agencement dont les performances sont légèrement inférieures à celles d'ailettes rectilignes parallèles et indépendantes. Dans la variante de la figure 8, les ailettes ne sont plus indépendantes mais sont au contraire liées entre elles deux à deux. L'extrémité supérieure de chaque ailette 26' est reliée par un pont de matière 42 à l'extrémité supérieure d'une ailette 26' adjacente. Dans la variante de réalisation de la figure 9, les ailettes 26" sont rectilignes mais non strictement parallèles. Dans la variante de la figure 10, les ailettes 26- sont de forme générale ondulée (non rectiligne) et sensiblement parallèles selon leur deuxième direction d'extension. L'invention apporte une solution au réel besoin de trouver un moyen d'intégrer les fonctions échangeur air/huile et traitement acoustique dans un même équipement pour ne plus avoir de compétition entre les deux besoins sur une zone d'installation.

Bien que dans la description qui précède l'invention s'applique en particulier à une turbomachine d'aéronef, celle s'applique à tout type de turbomachine.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Panneau (10) d'échange thermique et de réduction de bruit pour une turbomachine, en particulier d'aéronef, le panneau comprenant : - une surface externe (22) destinée à être balayée par un flux d'air et à partir de laquelle s'étendent des ailettes (26, 26', 26", 26"), suivant une première et une deuxième directions principales prédéterminées, de préférence sensiblement perpendiculaires, - au moins une cavité (20) formant résonateur de Helmholtz, reliée à l'une des extrémités d'au moins un canal (30) de passage d'air dont l'autre des extrémités débouche sur ladite surface externe, de sorte que ledit au moins un canal forme un col dudit résonateur de Helmholtz s'étendant sensiblement suivant la première direction des ailettes, - au moins une chambre (16) de circulation d'huile s'étendant entre ladite surface externe et ladite au moins une cavité, et destinée à évacuer de l'énergie calorifique apportée par l'huile, l'empilement de ladite surface externe, de ladite au moins une cavité et de ladite au moins une chambre s'étendant sensiblement suivant la première direction, caractérisé en ce que : - les ailettes ont une dimension e dans une direction sensiblement perpendiculaire auxdites première et deuxième directions comprise entre 0,5 et 2mm et sont espacées les unes des autres d'une distance a suivant une direction sensiblement perpendiculaire auxdites première et deuxième directions comprise entre 1 et 5mm, - la chambre d'huile a une dimension c sensiblement dans ladite première direction comprise entre 1 et lOmm, - ledit au moins un canal a un diamètre moyen d compris entre 1 et 2mm, - ladite au moins une cavité a une dimension f sensiblement dans ladite première direction comprise entre 5 et 150mm, et- le taux de perforation a de ladite surface externe est compris entre 5 et 10%.
2. 2. Panneau (10) selon la revendication 1, dans lequel les ailettes (26, 26', 26", 26-) ont une dimension b sensiblement dans ladite première direction comprise entre 10 et 25mm.
3. 3. Panneau (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel il comprend une matrice de canaux (30) de passage d'air, qui sont régulièrement répartis dans ladite chambre (16).
4. 4. Panneau (10) selon la revendication 3, dans lequel au moins une et, de préférence, une unique rangée de débouchés (32) de canaux de passage d'air s'étend entre deux ailettes (26, 26', 26", 26-) adjacentes.
5. 5. Panneau (10) selon la revendication 4, dans lequel les débouchés des canaux (30) de ladite rangée sont espacés les uns des autres d'une distance g dans une direction sensiblement parallèle à ladite deuxième direction comprise entre 1,57 et 31,42mm.
6. 6. Panneau (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il a une forme générale incurvée et est configuré pour former un secteur d'une enveloppe annulaire d'échange thermique et de réduction de bruit, par exemple pour une nacelle de turbomachine.
7. 7. Panneau (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un canal (30) a une forme générale longitudinale cylindrique ou tronconique.
8. 8. Panneau (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il comprend au moins deux cavités (20) formant résonateur de Helmholtz, qui communiquent entre elles.
9. 9. Panneau (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite première direction est sensiblement perpendiculaire ou inclinée par rapport à ladite surface externe (22).
10. 10. Turbomachine, notamment d'aéronef, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un panneau (10) selon l'une des revendications précédentes.