Design and Experimental Analysis of a Loop Heat Pipe for Thermal Control of Aircraft Engine Equipment

par Filippo Pagnoni

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Yves Bertin et de Vincent Ayel.

Le président du jury était Lounès Tadrist.

Le jury était composé de Frédéric Lefèvre.

Les rapporteurs étaient Valérie Sartre, Sauro Filippeschi.

  • Titre traduit

    Conception et analyse expérimentale d'une boucle diphasique passive LHP pour le contrôle thermique des composants intégrés dans les moteurs aéronautiques


  • Résumé

    Ces travaux de thèse sont focalisés sur le développement d’une boucle diphasique LHP pour le contrôle thermique de composants intégrés dans les moteurs aéronautiques. L’étude concerne les compartiments situés à l’intérieur de la nacelle, en lien avec les challenges thermiques des moteurs de future génération. Tout d’abord, une étude de faisabilité a été menée, basée sur une évaluation de l’environnement thermique, une analyse des contraintes d’intégration et une première identification d’un couple fluide de travail-matériau de construction. En ce qui concerne ce dernier aspect, l’eau et le DowthermTM J ont été identifiés comme les meilleurs candidats pour leur utilisation avec les alliages souhaités pour cet environnement. D’un côté, le point triple élevé de l’eau a obligé la vérification de la tenue mécanique du milieu capillaire mouillé à des cycles de gel/dégel. Le milieu poreux fritté en titane a montré une excellente résistance mécanique et il est resté parfaitement intact après plus de 1500 cycles. D’un autre côté, vu le manque d’informations concernant la compatibilité du DowthermTM J avec les matériaux sélectionnés, des tests de compatibilité ont été effectués avec trois thermosiphons en parallèle, et ont montré un taux de génération de gaz non condensables déjà à faible température. Pour cette raison, la compatibilité entre le DowthermTM J et les matériaux a été jugé non satisfaisante et le fluide a été rejeté. L’étape suivante a été la conception d’un prototype de boucle LHP. Des outils numériques robustes ont été développés pour la validation finale : un modèle 0D pour la boucle entière ainsi qu’un modèle couplé 1D - 2D du condenseur. Le prototype de LHP a été construit et testé sous différentes conditions opératoires. Une quantité de gaz non condensable a été observée initialement, due à la passivation des surfaces intérieures à la boucle. Néanmoins, les résultats expérimentaux ont montré que la boucle répond aux cahiers de charge thermique, même en présence de ces gaz,étant capable de fonctionner sous hautes températures et haute pression. La génération de gaz s’est arrêtée après un certain nombre d’heures cumulées de fonctionnement ; pourtant, les inspections internes à l’évaporateur après les tests ont montrés une dégradation significative de l’état de surface, due aux réactions chimiques entre le fluide de travail et les matériaux de la boucle. Les résultats de ces travaux de thèse constituent une étape fondamentale vers le développement d’une boucle LHP pour le contrôle thermique de composants intégrés dans la nacelle. Des informations essentielles à la conception des prototypes de future génération sont fournies, vers la validation et la certification des LHP pour leur utilisation dans cet environnement.


  • Résumé

    In this work, the development of a Loop Heat Pipe (LHP) for aircraft nacelle thermal management is presented. The study is focused on engine compartments and integrated equipment applications, according to the upcoming thermal management challenges in the next generation of engines. First, a feasibility study was performed, analyzing the thermal environment, the integration constraints and the identification of suitable working fluid construction material pairs. As for the latter aspect, water and DowthermTM J were identified as most suitable candidates with the lightweight aeronautical alloys considered for this environment. On one hand, the high triple point of water obliged to verify the wick mechanical resistance to repeated freezing cycles when soaked into pure water. On the other hand, compatibility tests were performed between DowthermTM J and the selected alloys, due to the lack of related data. In the former, the sintered titanium wick provided an excellent stiffness and it remained perfectly intact after more than 1500 cycles. In the latter, the thermal tests performed on parallel thermosyphon shave clearly shown the generation of non-condensable gases (NCG) inside all the samples starting from low operating temperatures. As a result, the compatibility of DowthermTM J was considered not fully satisfactory and this fluid was discarded. The next step concerned the design of the titanium/water LHP prototype. Robust numerical tools were developed for the final design validation: a simplified 0D nodal model for the entire device and a coupled 1D and 2D condenser model representation. The LHP prototype was manufactured and tested in different operating conditions. A significant amount of NCG was initially generated inside the device, due top assivation of the internal surfaces. Nonetheless, the experimental results demonstrated the LHP capability to satisfy the thermal requirements, even in presence of NCG, with standing high operating temperatures and pressures. Although the gas generation rate became negligible after several hours of tests, internal inspections performed at the end of the test revealed a deep alteration of the internal surface state, due to the chemical reactions with the working fluid. The results of this work represent an important milestone for the development of a LHP for aircraft nacelle applications. Essential information for the design of future generations of prototypes are provided, toward the validation and certification of LHP for nacelle thermal management.



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