FR2951228A1

FR2951228A1 - Procede et systeme de gestion d'echanges thermiques entre fluides dans une turbomachine

Info

Publication number: FR2951228A1
Application number: FR0957142A
Authority: FR
Inventors: Franck Serge Jacques Liotte; Nicolas Potel
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2011-04-15
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: FR2951228B1

Abstract

L'invention concerne la gestion d'échanges thermiques entre fluides dans une turbomachine comprenant un circuit de carburant (10) pour alimenter des injecteurs (26) d'une chambre de combustion, au moins un circuit (30) d'huile de lubrification et/ou refroidissement, un échangeur thermique huile/ carburant (34) et un échangeur thermique huile/air (32). Un capteur (28) fournit une information représentative de la température (Ti) du carburant injecté dans la chambre de combustion et le transfert thermique vers le carburant est réglé pour amener la température du carburant injecté à une valeur aussi élevée que possible dans la limite d'une valeur de consigne prédéterminée (Tc), pour tout régime de fonctionnement de la turbomachine. La valeur de consigne Tc est avantageusement telle que Tc = Tk - ΔT où Tk est la température de cokéfaction du carburant et ΔT une marge de sécurité. Le réglage du transfert thermique vers le carburant peut être réalisé par réglage du transfert thermique dans l'échangeur huile/air (32) sous la commande de l'unité de régulation (ECU) de la turbomachine.

Description

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la gestion d'échanges thermiques entre fluides dans une turbomachine comprenant, de façon bien connue, un circuit de carburant pour alimenter des injecteurs d'une chambre de combustion, au moins un circuit d'huile de lubrification et/ou refroidisse-ment, un échangeur thermique huile/carburant et un échangeur thermique huile/air. Le document US 5 241 814 propose différentes configurations particulières de circulation du carburant permettant d'éviter des températures trop basses ou trop élevées pour le carburant et pour l'huile et utilisant la capacité calorifique du carburant stocké dans le réservoir de carburant.

Objet et résumé de l'invention L'invention vise à améliorer la gestion des échanges thermiques dans une turbomachine telle que définie plus haut afin plus particulière-ment de diminuer la consommation en carburant, et ce avec des moyens extrêmement simples ne nécessitant pas de commutation entre différentes configurations de circulation du carburant.

Ce but est atteint grâce à un procédé comprenant la fourniture d'une information représentative de la température du carburant injecté dans la chambre de combustion via les injecteurs et le réglage du transfert thermique vers le carburant pour amener la température du carburant injecté dans la chambre de combustion à une valeur aussi élevée que possible dans la limite d'une valeur de consigne prédéterminée, pour tout régime de fonctionnement de la turbomachine. L'invention est remarquable en ce que la commande de la température du carburant injecté afin qu'elle soit la plus élevée possible permet de minimiser la consommation de carburant car l'augmentation de la température du carburant injecté se traduit par une augmentation de l'énergie apportée à la chambre de combustion et car cette commande est réalisée pour tout régime de fonctionnement de la turbomachine donc, dans le cas d'un turbomoteur d'avion, dans tout le domaine du vol. En outre, le réchauffement du carburant réduit fortement la probabilité de présence de givre dans le circuit carburant en aval de l'échangeur huile/carburant, ce qui peut permettre de se passer d'un dispositif de chauffage anti-givrage spécifique. De plus encore, la régulation de la température du carburant réduit l'amplitude des cycles thermiques auxquels les différents équipements du circuit carburant sont soumis. Selon une particularité du procédé, la valeur de consigne Tc est telle que Tc = Tk - AT où Tk est la température de cokéfaction du carburant et AT une marge de sécurité. La marge de sécurité AT est choisie par exemple entre 0°C et 50°C, de préférence entre 10°C et 30°C.

Avantageusement, le réglage du transfert thermique vers le carburant est réalisé par réglage du transfert thermique dans l'échangeur huile/air. Le pilotage de la température du carburant est donc alors réalisé en agissant sur la température de l'huile qui traverse l'échangeur huile/carburant.

Dans un mode de réalisation, le réglage du transfert thermique est réalisé par ajustement du partage de débit d'huile entre une fraction traversant l'échangeur huile/air et une fraction complémentaire dérivée hors de l'échangeur. Dans un autre mode de réalisation, le réglage du transfert thermique dans l'échangeur huile/air est réalisé par ajustement du débit d'air traversant l'échangeur. Avantageusement, le procédé comprend en outre la fourniture d'au moins une information représentative d'une température d'huile, et le réglage du transfert thermique dans l'échangeur huile/air en vue de maintenir la température de l'huile au moins égale à une valeur minimale et au plus égale à une valeur maximale, de façon prioritaire par rapport au réglage du transfert thermique pour amener la température du carburant à la valeur de consigne. Ainsi, le maintien de la température du carburant à une valeur aussi élevée que possible ne se fait pas au détriment du maintien de la température d'huile concernée dans une plage de valeurs souhaitée. L'invention vise aussi un système de gestion d'échanges thermiques entre fluides dans une turbomachine comprenant un circuit de carburant pour alimenter des injecteurs d'une chambre de combustion, au moins un circuit d'huile de lubrification et/ou refroidissement, un échangeur thermique huile/carburant et un échangeur thermique huile/air, le système comprenant : - un capteur destiné à fournir une information représentative de la température du carburant injecté dans la chambre de combustion via les injecteurs, - un dispositif ajustable permettant de faire varier le transfert thermique vers le carburant, et - un circuit de régulation recevant l'information représentative de la température du carburant injecté dans la chambre de combustion et agencé pour fournir un signal de commande du dispositif ajustable afin d'amener la température du carburant injecté dans la chambre de combustion à une valeur aussi élevée que possible dans la limite d'une valeur de consigne prédéterminée. Selon un mode de réalisation du système, le circuit d'huile comprend une première conduite traversant l'échangeur air/ huile entre une entrée d'huile et une sortie d'huile de l'échangeur et une deuxième conduite de dérivation branchée entre l'entrée d'huile et la sortie d'huile et le dispositif ajustable est agencé pour faire varier le partage du débit d'huile entre la première et la deuxième conduite. Le dispositif ajustable peut alors être une vanne à position variable commandée par le circuit de régulation et montée sur la deuxième conduite. Selon un autre mode de réalisation du système, le dispositif ajustable est monté sur une conduite d'alimentation en air de l'échangeur air/huile pour pouvoir faire varier le débit d'air amené à l'échangeur.

Avantageusement, le circuit de régulation est intégré à une unité de régulation électronique de la turbomachine. Avantageusement encore, le système comprend en outre : - au moins un capteur destiné à fournir une information représentative d'une température d'huile, et - un dispositif ajustable permettant de régler le transfert thermique dans l'échangeur huile/air, - le circuit de régulation recevant l'information représentative d'une température d'huile et étant agencé pour fournir un signal de commande du dispositif ajustable permettant de régler le transfert thermique dans l'échangeur huile/air afin de maintenir la température de l'huile au moins égale à une valeur minimale prédéterminée et au plus égale à une valeur maximale prédéterminée, de façon prioritaire par rapport à l'amenée de la température de carburant à la valeur de consigne maximale. Avantageusement alors, le dispositif ajustable permettant de régler le transfert thermique dans l'échangeur huile/air constitue également le dispositif ajustable permettant de régler le transfert thermique vers le carburant. L'invention vise encore une turbomachine équipée d'un système tel que défini ci-avant.

Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après à titre indicatif mais non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma très simplifié d'un moteur d'avion à turbine à gaz ; - la figure 2 est un schéma simplifié montrant un mode de réalisation d'un système selon l'invention ; - la figure 3 est un organigramme simplifié montrant un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention avec le système de la figure 2 ; et - la figure 4 est un schéma simplifié montrant un autre mode de réalisation d'un système selon l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation Un domaine d'application de l'invention est celui des moteurs à turbine à gaz pour avions tel que par exemple celui représenté très schématiquement sur la figure 1. L'invention et toutefois applicable à d'autres turbomachines telles que des turbines d'hélicoptères ou des turbines à gaz industrielles. La turbomachine de la figure 1 comprend une chambre de combustion 1, les gaz de combustion issus de la chambre 1 entraînant une turbine haute pression (HP) 2 et une turbine basse pression (BP) 3. La turbine 2 est couplée par un arbre à un compresseur haute pression (HP) 4 alimentant la chambre de combustion 1 en air sous pression tandis que la turbine 3 est couplée par un autre arbre à une soufflante 5 en entrée du moteur. Une boîte de transmission 6, ou boîte de relais d'accessoires, est reliée par une prise de puissance mécanique 7 à un arbre de turbine et comprend un ensemble de pignons pour l'entraînement de différents équipements, notamment des pompes et au moins un générateur électrique. Sur la figure 2, la référence 10 désigne un circuit de carburant qui reçoit du carburant en provenance d'un réservoir 20 pour délivrer un débit de carburant régulé sur une conduite 22 alimentant une rampe 24 d'alimentation en carburant d'une pluralité d'injecteurs 26 de la chambre de combustion 1. Le circuit de carburant 10 comprend de façon connue, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement du carburant, une pompe basse pression 12, une pompe haute pression 14 et une unité de dosage carburant ou FMU ("Fuel Metering Unit") 16. Entre la pompe basse pression 12 et la pompe haute pression 14, le carburant traverse un échangeur de chaleur huile/carburant ou FCOC ("Fuel Cooled Oil Cooler") 34. En sortie de la pompe haute pression, le débit de carburant peut être partagé en une première fraction amenée à l'unité de dosage 16 pour fournir le débit de carburant régulé à la chambre de combustion et une deuxième fraction disponible sur une conduite 18 en tant que fluide hydraulique pour différents composants tels que des actionneurs ou servovalves. D'autres dispositifs tels qu'une unité de filtrage, une vanne de coupure, un débitmètre (non représentés) sont usuellement inclus dans le circuit de carburant. Egalement de façon connue, il est prévu un circuit d'huile 30 qui reçoit en entrée 30a un flux d'huile de lubrification et/ou de refroidissement. Ce flux d'huile peut être constitué par la réunion de différents flux provenant de différents ensembles utilisant de l'huile de lubrification et/ou refroidissement, la circulation de l'huile étant assurée par des pompes (non représentées). Ainsi, outre l'huile utilisée pour la lubrification et le refroidissement du moteur proprement dit, notamment des paliers d'arbres de turbines et compresseurs, le flux d'huile global peut comprendre de l'huile utilisée pour la lubrification de la boîte de relais d'accessoires et de l'huile utilisée pour lubrification et refroidissement du

ou des générateurs électriques. L'huile parvenant en entrée 30a traverse un échangeur de chaleur air/huile ou ACOC ("Air Cooled Oil Cooler") 32 puis l'échangeur FCOC 34, avant d'être retournée à partir d'une sortie 30b, vers les différents ensembles de la turbomachine utilisant l'huile.

Une unité de régulation électronique ou ECU 48 assure la régulation de la turbomachine. L'ECU 48 est notamment reliée à l'unité de dosage carburant 16 pour réguler le débit de carburant fourni aux injecteurs à une valeur souhaitée en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine.

Conformément à l'invention, les échanges thermiques entre fluides (carburant, huile, air) sont gérés de manière à amener la température du carburant injecté dans la chambre de combustion à une valeur aussi élevée que possible dans la limite d'une valeur de consigne maximale prédéterminée, pour tout régime de fonctionnement de la turbomachine. A cet effet, dans le mode de réalisation de la figure 1, un dispositif ajustable, en l'espèce une vanne 36 à position réglable est montée sur une conduite 38 branchée en dérivation de l'échangeur ACOC 32 entre l'entrée et la sortie de celui-ci. La vanne 36 peut être une vanne électrique ou une vanne électro-hydraulique utilisant le carburant comme fluide hydraulique. Il est prévu en outre un capteur 28 pour fournir une information représentative de la température Ti du carburant injecté dans la chambre de combustion de la turbomachine. Le capteur 28 peut être monté sur la conduite 22 immédiatement en amont de son raccordement avec la rampe 24 d'alimentation des injecteurs 26. En variante, on pourrait disposer un ou plusieurs capteurs sur les injecteurs ou à proximité de ceux-ci. La valeur retenue pour la température de carburant injecté est alors la valeur relevée la plus élevée ou une valeur dérivée de cette dernière par application d'une loi pré-établie par exemple expérimentalement pour refléter au mieux la valeur réelle de la température du carburant injecté. Il est préférable en outre que la régulation de la température du carburant injecté ne se fasse pas au détriment du maintien de la température d'huile dans une plage de valeurs souhaitée dans chacun des ensembles de la turbomachine utilisant l'huile.

Ainsi, dans cet exemple, des capteurs 42, 44, 46 sont prévus qui fournissent des informations représentatives des températures d'huile Thi, Th2, Th3 respectivement au niveau du moteur proprement dit, au niveau de la boîte de relais d'accessoires et au niveau du ou des générateurs électriques. La gestion des échanges thermiques par pilotage de la vanne 36 est réalisée au moyen d'un circuit de régulation, avantageusement intégré à l'ECU 48, qui reçoit les informations Ti, Thi, Th2, Th3 et élabore un signal de commande de la vanne 36.

Un mode de fonctionnement du circuit de régulation est montré par la figure 3. Des valeurs de seuil minimales et maximales admissibles pour chacune des températures Thi, Th2 et Th3 étant prédéterminées, il est examiné si l'une au moins de ces températures Thi est inférieure à la valeur de seuil minimale Thimin (étape 50). Dans l'affirmative, la vanne 36 est commandée en position d'ouverture maximale (étape 51) et on revient à l'étape 50. Dans la négative, il est examiné si l'une au moins des températures Thi est supérieure à sa valeur de seuil maximale Thimax (étape 52). Dans l'affirmative, la vanne 36 est commandée en position de fermeture totale (étape 53) et on revient à l'étape 50. Si aucune des températures Thi, Th2 et Th3 n'est inférieure à sa valeur de seuil minimale ou supérieure à sa valeur de seuil, la vanne 36 est commandée de manière à asservir la température de carburant injecté Ti à une valeur de consigne Tc ou au moins d'amener la température Ti à une valeur aussi élevée que possible, dans la limite de la valeur de consigne Tc, un échauffement du carburant jusqu'à la valeur Tc pouvant ne pas être toujours possible même avec la vanne 36 en position de pleine ouverture (étape 54). La valeur de consigne Tc, pour un carburant déterminé, est choisie telle que Tc = Tk - AT, où Tk est la température de cokéfaction du carburant et AT une marge de sécurité. La valeur de AT est choisie de préférence telle que 0°C < AT < 50°C, de préférence encore telle que 10°C < AT < 30°C. Après l'étape 54, le processus retourne à l'étape 50.

A titre indicatif, avec des carburants couramment utilisés pour des moteurs d'avions à turbine à gaz, la température de cokéfaction est d'environ 150 °C et l'on peut choisir une température de consigne Tc d'environ 130°C.

Le mode de réalisation de la figure 2 convient notamment lorsque la technologie de l'échangeur ACOC est du type à refroidissement de surface, c'est-à-dire lorsque les conduits d'huile dans l'échangeur sont balayés par un flux d'air F sur une face de l'échangeur. Dans le cas d'un moteur à turbine à gaz à double flux avec un flux primaire "chaud" traversant l'ensemble compresseur HP, chambre de combustion et turbines HP et BP et un flux secondaire "froid" issu de la soufflante et contournant cet ensemble, un tel échangeur est par exemple logé sur une paroi du canal du flux secondaire, immédiatement en aval de la soufflante. Lorsque la technologie de l'échangeur ACOC est du type échangeur à plaques air/huile, le mode de réalisation de la figure 4 convient plus particulièrement, étant noté que celui de la figure 2 reste possible. Un tel échangeur, dans un moteur à turbine à gaz double flux, peut par exemple être logé dans le carter de soufflante. L'air traversant l'échangeur peut être prélevé dans le flux secondaire puis être réinjecté dans celui-ci. En variante, l'air traversant l'échangeur peut être prélevé à l'extérieur du carter de soufflante pour être ensuite rejeté à l'extérieur ou injecté dans le flux secondaire. Le mode de réalisation de la figure 4 se distingue de celui de la figure 2 en ce que le dispositif ajustable permettant de gérer les échanges thermiques est un volet 52 à position réglable monté dans une conduite 54 canalisant l'air amené à l'ACOC 32, la vanne 36 étant omise de même que la conduite de dérivation 38 sauf éventuellement pour le montage d'un clapet de surpression (non représenté). L'air ayant traversé l'ACOC 32 est repris par une canalisation 56. La position du volet 52 est commandée par l'ECU 48 de façon similaire à ce qui a été décrit plus haut pour le mode de réalisation de la figure 2, mais en commandant le volet 52 à l'inverse de la vanne 36, une ouverture du volet 52 correspondant à une fermeture de la vanne 36 et réciproquement.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de gestion d'échanges thermiques entre fluides dans une turbomachine comprenant un circuit de carburant (10) pour alimenter des injecteurs (26) d'une chambre de combustion, au moins un circuit (30) d'huile de lubrification et/ou refroidissement, un échangeur thermique huile/ carburant (34) et un échangeur thermique huile/air (32), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la fourniture d'une information représentative de la température (Ti) du carburant injecté dans la chambre de combustion via les injecteurs et le réglage du transfert thermique vers le carburant pour amener la température du carburant injecté dans la chambre de combustion à une valeur aussi élevée que possible dans la limite d'une valeur de consigne prédéterminée (Tc), pour tout régime de fonctionnement de la turbomachine.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de consigne Tc est telle que Tc = Tk - AT où Tk est la température de cokéfaction du carburant et AT une marge de sécurité.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la marge de sécurité AT est telle que 10°C < AT < 50°C.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réglage du transfert thermique vers le carburant est réalisé par réglage du transfert thermique dans l'échangeur huile/air (32).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réglage du transfert thermique est réalisé par ajustement du partage de débit d'huile entre une fraction traversant l'échangeur huile/air (32) et une fraction complémentaire dérivée hors de l'échangeur.
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réglage du transfert thermique dans l'échangeur huile/air (32) est réalisé par ajustement du débit d'air traversant l'échangeur.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la fourniture d'au moins une information (Th1, Th2, Th3) représentative d'une température d'huile, et le réglage du transfert thermique dans l'échangeur huile/air (32) en vue de maintenir la température de l'huile au moins égale à une valeur minimale et au plus égale à une valeur maximale, de façon prioritaire parrapport au réglage du transfert thermique pour amener la température du carburant à la valeur de consigne.
8. Système de gestion d'échanges thermiques entre fluides dans une turbomachine comprenant un circuit de carburant (10) pour alimenter des injecteurs (26) d'une chambre de combustion, au moins un circuit (30) d'huile de lubrification et/ou refroidissement, un échangeur thermique huile/ carburant (34) et un échangeur thermique huile/air (32), le système étant caractérisé en ce qu'il comprend : - un capteur (28) destiné à fournir une information représentative de la température du carburant injecté dans la chambre de combustion via les injecteurs, - un dispositif ajustable (36;52) permettant de faire varier le transfert thermique vers le carburant, et - un circuit de régulation (48) recevant l'information représentative de la température du carburant injecté dans la chambre de combustion et agencé pour fournir un signal de commande du dispositif ajustable afin d'amener la température du carburant injecté dans la chambre de combustion à une valeur aussi élevée que possible dans la limite d'une valeur de consigne prédéterminée.
9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit d'huile (30) comprend une première conduite traversant l'échangeur air/ huile (32) entre une entrée d'huile et une sortie d'huile de l'échangeur et une deuxième conduite de dérivation (38) branchée entre l'entrée d'huile et la sortie d'huile et le dispositif ajustable (36) est agencé pour faire varier le partage du débit d'huile entre la première et la deuxième conduite.
10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif ajustable est une vanne à position variable (36) commandée par le circuit de régulation (48) et montée sur la deuxième conduite (38).
11. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif ajustable (52) est monté sur une conduite (54) d'alimentation en air de l'échangeur air/huile (32) pour pouvoir faire varier le débit d'air amené à l'échangeur.
12. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le circuit de régulation est intégré à une unité (48) de régulation électronique de la turbomachine.
13. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - au moins un capteur (42,44,46) destiné à fournir une information représentative d'une température d'huile, et - un dispositif ajustable (36;52) permettant de régler le transfert thermique dans l'échangeur huile/air, et - le circuit de régulation (48) recevant l'information représentative d'une température d'huile et étant agencé pour fournir un signal de commande du dispositif ajustable permettant de régler le transfert thermique dans l'échangeur huile/air afin de maintenir la température de l'huile au moins égale à une valeur minimale prédéterminée et au plus égale à une valeur maximale prédéterminée, de façon prioritaire par rapport à l'amenée de la température de carburant à la valeur de consigne maximale.
14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif ajustable (36;52) permettant de régler le transfert thermique dans l'échangeur huile/air constitue également le dispositif ajustable permettant de régler le transfert thermique vers le carburant.
15. Turbomachine équipée d'un système selon l'une quelconque des revendications 8 à 14.