DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de l'alimentation en air d'un moteur thermique à cycle fermé pour aéronef, ainsi qu'à un moteur thermique à cycle fermé pour aéronef.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Certains aéronefs sont équipés de moteurs thermiques à cycle fermé. Il s'agit par exemple de moteurs à pistons.

Dans les phases au sol de l'aéronef (démarrage, roulage, décollage, ou atterrissage), les moteurs d'aviation à cycle fermé requièrent l'usage d'un filtre à air en raison de la sensibilité de la chambre de combustion (soupapes, pistons, ...) aux sables et aux poussières.

A haute altitude, ces moteurs nécessitent d'utiliser un ou plusieurs turbocompresseurs pour compenser la diminution de la densité d'air et maintenir ainsi la puissance requise.

La présence du filtre à air génère une perte de pression accrue en amont du turbocompresseur, ce qui exige un taux de compression supérieur du turbocompresseur, voire des étages de compression supplémentaires.

Cette perte de charge est d'autant plus pénalisante que le moteur est utilisé à une altitude élevée et à une faible pression ambiante. L'air est, à cette altitude, bien moins chargé en particules qu'au sol.

En outre, lors des opérations au sol ou à faible altitude, l'étage basse-pression, comprenant le compresseur basse-pression, n'est pas actif. Par conséquent, cet étage crée une perte de charge supplémentaire en amont du compresseur haute-pression et en aval de la turbine haute- pression, ce qui nécessite d'augmenter le taux de compression et de détente sur ces éléments pour atteindre la performance requise. Ceci se traduit par des contraintes accrues sur l'étage haute-pression, voire par la nécessité d'augmenter le nombre d'étages. Une solution de l'art antérieur consiste à ne pas installer de filtre à air, et à utiliser à la place une simple grille ou crépine. La perte de charge causée par la grille est dans ce cas faible. Toutefois, cette solution n'est applicable que pour une durée limitée, ou dans certaines applications militaires. Elle n'est pas applicable à une application civile à longue durée de vie et à maintenance limitée, qui nécessite un filtre capable de stopper les sables et poussières. Dans ce cas, une simple grille ou crépine est inefficace. Enfin, elle ne permet pas de lutter contre la perte de charge créée par l'étage basse-pression au sol ou à faible altitude.

Une autre solution consiste à positionner l'entrée d'air du moteur dans une zone abritée de l'aéronef. Toutefois, cette solution implique des contraintes sur l'architecture de l'aéronef. En outre, ce positionnement de l'entrée d'air ne permet pas de supprimer l'ingestion de particules soulevées par le vent, ou issues du sillage du rotor, d'hélices ou de réacteurs d'aéronefs. Enfin, elle ne permet pas de lutter contre la perte de charge créée par l'étage basse-pression au sol ou à faible altitude.

RESUME DE L'INVENTION

Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose un procédé de contrôle de l'alimentation en air d'un moteur thermique à cycle fermé pour aéronef, ledit moteur comprenant au moins un compresseur basse- pression, au moins un compresseur haute-pression, au moins un filtre à air, et une chambre de combustion, ledit procédé comprenant les étapes de contrôle consistant à pour un premier état de l'aéronef, alimenter la chambre de combustion du moteur avec un air traversant le compresseur haute-pression et le filtre à air, mais non le compresseur basse-pression, et pour un deuxième état de l'aéronef, alimenter la chambre de combustion du moteur avec un air traversant le compresseur basse-pression et le compresseur haute-pression, mais non le filtre à air.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - le premier état de l'aéronef correspond à un état dans lequel l'aéronef est au sol, et le deuxième état de l'aéronef correspond à un état dans lequel l'aéronef est en vol ;

- le procédé comprend : en cas de détection d'un colmatage du filtre à air, faire écouler l'air alimentant la chambre de combustion du moteur dans un conduit permettant de contourner le filtre à air ;

- le procédé comprend, dans le premier état de l'aéronef faire échapper, en aval du compresseur basse-pression, l'air traversant le compresseur basse-pression en dehors du moteur, et/ou faire échapper un flux gazeux arrivant en amont d'une turbine basse- pression entraînant le compresseur basse-pression, en dehors du moteur.

L'invention concerne également un moteur thermique à cycle fermé, pour aéronef, comprenant au moins un compresseur basse-pression, au moins un compresseur haute-pression, au moins un filtre à air, et une chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend un système de régulation de l'alimentation en air du moteur configuré de sorte à: pour un premier état de vol de l'aéronef, connecter fluidiquement la chambre de combustion avec le compresseur haute-pression et le filtre à air, sans que la chambre de combustion ne soit connectée fluidiquement au compresseur basse-pression, et pour un deuxième état de vol l'aéronef, connecter fluidiquement la chambre de combustion avec le compresseur basse- pression et le compresseur haute-pression, sans que la chambre de combustion ne soit connectée fluidiquement au filtre à air.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

- le moteur comprend au moins un capteur configuré pour détecter un état de vol de l'aéronef, parmi un état au sol de l'aéronef et un état en vol de l'aéronef ;

- le filtre à air est disposé sur un premier conduit, le compresseur basse-pression est disposé sur un second conduit, distinct du premier, le système de régulation comprenant une vanne de régulation disposée sur le premier conduit du filtre à air, et une vanne de régulation disposée sur le deuxième conduit du compresseur basse-pression ;

- le moteur comprend une turbine basse-pression entraînant le compresseur basse-pression, et une vanne disposée en amont de la turbine basse-pression et permettant de diriger le flux issu de la chambre de combustion vers un échappement du moteur ;

- la vanne de régulation disposée sur le premier conduit est disposée en aval du filtre à air, et/ou la vanne de régulation disposée sur le deuxième conduit est disposée en aval du compresseur basse- pression ;

- le moteur comprend un échangeur en aval du compresseur basse- pression, ledit système de régulation étant configuré de sorte à pour le premier état de l'aéronef, autoriser l'alimentation de la chambre de combustion du moteur avec un air traversant le compresseur haute- pression et le filtre à air, et pour le deuxième état de l'aéronef, autoriser l'alimentation de la chambre de combustion du moteur avec un air traversant le compresseur basse-pression, l'échangeur et le compresseur haute-pression;

- le moteur est par exemple une unité auxiliaire de puissance d'un aéronef.

L'invention présente de nombreux avantages.

L'invention permet d'optimiser la perte de charge du moteur, aussi bien au sol qu'en vol. Par conséquent, les taux de compression et le nombre d'étages de compression peuvent être réduits.

En outre, à taux de compression égal sur les compresseurs, la pression de l'air alimentant le moteur est augmentée. La quantité du carburant et la puissance motrice sont donc accrues.

Enfin, l'invention permet de conserver un filtrage de l'air au sol tout en optimisant la perte de charge durant toutes les opérations de l'aéronef. DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :

- la Figure 1 est une représentation d'un mode de réalisation du moteur thermique selon l'invention ;

- la Figure 2 est une représentation d'un autre mode de réalisation du moteur thermique selon l'invention ;

- la Figure 3 est une représentation d'un autre mode de réalisation du moteur thermique selon l'invention ;

- la Figure 4 est une représentation d'un mode de réalisation d'un procédé de contrôle de l'alimentation en air d'un moteur thermique à cycle fermé pour aéronef.

DESCRIPTION DETAILLEE Moteur thermique

On a représenté en Figure 1 un mode de réalisation d'un moteur 2 thermique à cycle fermé pour aéronef.

Un moteur thermique à cycle fermé est un moteur dont la chambre de combustion est fermée. Il s'agit par exemple d'un moteur à pistons, ou d'un moteur Wankel.

Le moteur thermique 2 comprend une entrée 1 d'air, au moins un compresseur 3 basse-pression, et au moins un compresseur 4 haute- pression. L'air en sortie du compresseur 4 haute-pression alimente la chambre 36 de combustion du moteur 2.

Sur la Figure 1 , l'air alimente un système 37 à piston comprenant un villebrequin 32 actionnant une bielle 33 et un piston 34. Un injecteur 40 injecte du carburant dans la chambre 36 de combustion. Le flux gazeux issu de la chambre 36 de combustion (gaz brûlés) traverse ensuite une turbine 38 haute-pression, et une turbine 15 basse- pression, pour s'échapper du moteur via un échappement 39.

La turbine 38 haute-pression entraîne le compresseur 4 haute- pression et la turbine 15 basse-pression entraîne le compresseur 3 basse- pression.

Le cas échéant, le moteur 2 comprend un échangeur 35 en aval du compresseur 3 basse-pression, et/ou un échangeur 12 en aval du compresseur 4 haute-pression. Ces échangeurs sont des refroid isseurs.

Le compresseur 3 basse-pression, l'échangeur 35, et la turbine 15 basse-pression constituent l'étage basse-pression du moteur 2, tandis que le compresseur 4 haute-pression, l'échangeur 12 et la turbine 38 haute- pression constituent l'étage haute-pression du moteur 2.

L'étage basse-pression peut comprendre plusieurs compresseurs, échangeurs ou turbines, de même que l'étage haute-pression.

Le moteur 2 comprend un filtre 8 à air. Le filtre 8 à air est disposé à proximité de l'entrée 1 d'air, et permet d'éviter que des particules indésirables n'atteignent la chambre de combustion.

Le cas échéant, un clapet 42 anti-colmatage, de type vanne, est prévu sur le filtre 8 à air. Le clapet 42 est installé sur une dérivation 43, la dérivation 43 étant activée lorsqu'un colmatage du filtre 8 à air est détecté, par exemple via un capteur présent sur le filtre.

Le moteur 2 comprend en outre un système 13 de régulation de l'alimentation en air du moteur 2.

Comme illustré, ce système 13 comprend une ou plusieurs vannes de régulation, dont l'ouverture est contrôlable. Ces vannes permettent de réguler la circulation de l'air dans le moteur 2.

En particulier, le système 13 de régulation est configuré de sorte à, selon l'état de l'aéronef :

- connecter fluidiquement la chambre de combustion avec le compresseur haute-pression et le filtre à air, ou - connecter fluidiquement la chambre de combustion avec le compresseur basse-pression et le compresseur haute-pression. Ainsi, dans un premier état de l'aéronef, le système 13 de régulation permet d'alimenter la chambre 36 de combustion du moteur 2 avec un air traversant le compresseur 4 haute-pression et le filtre 8 à air, mais non le compresseur 3 basse-pression,

Dans un deuxième état de l'aéronef, le système 13 de régulation permet d'alimenter la chambre 36 de combustion du moteur 2 avec un air traversant le compresseur 3 basse-pression et le compresseur 4 haute- pression, mais non le filtre 8 à air. Dans un mode de réalisation, dans le deuxième état de l'aéronef, l'air ne traverse aucun filtre à air.

Le contrôle de l'ouverture des vannes du système 13 de régulation permet de réguler le trajet de l'air en fonction de l'état de l'aéronef. Le système de régulation peut comprendre une unité 50 de contrôle de type calculateur, qui commande l'ouverture et la fermeture des vannes.

Dans un mode de réalisation, le premier état de l'aéronef correspond à un état dans lequel l'aéronef est au sol (phases de roulage, démarrage, roulage, décollage, ou atterrissage) et le deuxième état de l'aéronef correspond à un état dans lequel l'aéronef est en vol.

Un capteur 41 peut être prévu dans le système 13 de régulation, ou dans l'aéronef afin de détecter l'état de vol de l'aéronef. Selon l'état à mesurer il peut s'agit d'un capteur de vitesse, d'altitude, ou de mesure de charge sur le train d'atterrissage (capteur dit « weight on wheel »).

Alternativement, le premier état peut correspondre à une première plage d'altitudes de l'aéronef, et le deuxième état peut correspondre à une deuxième page d'altitude de l'aéronef, distincte de la première. Dans ce cas, le capteur 41 est un capteur d'altitude.

Alternativement, le premier état et le deuxième état correspondent à des commandes du pilote, à partir de la cabine de l'aéronef. Dans ce cas, c'est le pilote qui gère le passage du premier état au deuxième état, et inversement. La Figure 1 représente une configuration possible du moteur 2. Dans cette configuration, le filtre 8 à air est disposé sur un premier 27 conduit du moteur 2, et le compresseur 3 basse-pression est disposé sur un second 28 conduit, distinct du premier. Le premier 27 conduit rejoint le second 28 conduit, par exemple en aval de l'échangeur 35.

L'échangeur 35, le compresseur 4 haute-pression, et l'autre échangeur 12 sont disposés sur le second 28 conduit.

Une vanne 20 de régulation est disposée sur le premier conduit 27. Cette vanne 20 est par exemple disposée en aval du filtre 8 à air.

Une vanne 21 de régulation est disposée sur le deuxième conduit 28.

Cette vanne 21 est par exemple disposée en aval du compresseur 3 basse- pression.

Le positionnement des vannes de régulation, respectivement en aval du filtre 8 à air et du compresseur 3 basse-pression, permet d'éviter une recirculation de l'air.

Dans le premier état, le système 13 de régulation ferme la vanne 21 , mais ouvre la vanne 20. La chambre 36 de combustion est donc alimentée par de l'air traversant le filtre 8 à air, le compresseur 4 haute-pression, et le cas échéant, l'échangeur 12.

II est à noter que de l'air traverse le compresseur 3 basse-pression, mais cet air n'alimente pas la chambre 36 de combustion étant donné que la vanne 21 est bloquante.

Dans le deuxième état, le système 13 de régulation ferme la vanne

20, mais ouvre la vanne 21 . La chambre 36 de combustion est donc alimentée par de l'air traversant le compresseur 3 basse-pression, le cas échéant l'échangeur 35, le compresseur 4 haute-pression, et le cas échéant, l'échangeur 12.

Dans un exemple de réalisation, une vanne 24 de décharge est disposée en amont (selon le sens d'écoulement de l'air) de la turbine 15 basse-pression et permet de diriger le flux gazeux issu de la chambre 36 de combustion vers l'échappement 39 du moteur 2. La vanne 24 permet l'ouverture d'une dérivation 45 qui permet au flux de contourner la turbine 15 basse-pression. La vanne 24 est ouverte en particulier dans le premier état de l'aéronef.

Cette vanne permet d'éviter un pompage ou une survitesse du compresseur basse-pression.

Alternativement, une autre vanne 46 de décharge est prévue en aval du compresseur 3 basse-pression, afin de permettre une fuite de l'air vers l'extérieur. La vanne 46 est ouverte en particulier dans le premier état de l'aéronef.

Une autre configuration possible non représentée est l'usage d'une vanne (par exemple de type trois-voies) à la jonction amont des conduits 27 et 28 (cf. Figure 1 ) du filtre 8 à air et du compresseur 3 basse-pression, en lieu et place des vannes 20 et 21 . Cette vanne permet d'imposer une circulation de l'air vers le filtre 8 à air, ou vers le compresseur 3 basse- pression.

D'autres configurations du moteur sont possibles.

En Figure 2, un autre mode de réalisation est illustré. Les références numériques désignent des éléments identiques à la Figure 1 . Dans ce mode de réalisation, le filtre 8 à air et le compresseur 3 basse pression sont disposés sur le même conduit 51 , l'un en aval de l'autre. L'échangeur 35 en aval du compresseur 3 basse-pression, le compresseur 4 haute-pression et l'échangeur 12 peuvent également être disposés sur ce conduit 51 .

Une vanne 53 est présente sur une dérivation 43 permettant de contourner le filtre 8 à air. On note que cette vanne 53 peut également jouer le rôle de clapet de colmatage du filtre 8 à air.

Une vanne 54 est présente sur une autre dérivation 52 permettant de contourner le compresseur 3 basse-pression, et, le cas échéant, l'échangeur 35.

Dans le premier état, le système 13 de régulation ferme la vanne 53, mais ouvre la vanne 54. La chambre 36 de combustion est donc alimentée par de l'air traversant le filtre 8 à air, le compresseur 4 haute-pression, et le cas échéant, l'échangeur 12. Dans le deuxième état, le système 13 de régulation ferme la vanne 54, mais ouvre la vanne 53. La chambre 36 de combustion est donc alimentée par de l'air traversant le compresseur 3 basse-pression, le cas échéant l'échangeur 35, le compresseur 4 haute-pression, et le cas échéant, l'échangeur 12.

D'autres configurations, par exemple avec une vanne 58 à plusieurs voies disposées entre le filtre 8 à air et le compresseur 3 basse-pression sont possibles (cf. Figure 3).

Dans cet exemple, il existe une jonction entre le conduit principal 51 , la dérivation 43 permettant de contourner le filtre 8 à air, et la dérivation 52 permettant de contourner le compresseur 3 basse-pression avec, le échéant, l'échangeur 35. La vanne 58 est disposée à cette jonction. Elle est donc de type quatre voies (deux entrées, deux sorties).

Le moteur peut par exemple être utilisé en tant qu'unité auxiliaire de puissance ou de moteur propulsif d'un aéronef.

Procédé de contrôle de l'alimentation

On décrit à présent un procédé de contrôle de l'alimentation en air du moteur 2 thermique à cycle fermé décrit précédemment, en référence à la Figure 4.

Le procédé comprend, pour un premier état de l'aéronef, l'étape S1 consistant à alimenter le moteur 2, et en particulier la chambre 36 de combustion, avec un air traversant le compresseur 4 haute-pression et le filtre 8 à air, mais non le compresseur 3 basse-pression.

Par exemple, le premier état de l'aéronef correspond à un état dans lequel l'aéronef est au sol. Le contournement du compresseur 3 basse- pression et de son éventuel échangeur 35 permet d'obtenir un gain substantiel de pression de l'air alimentant le moteur. Par conséquent, il est possible réduire le taux de compression requis sur le compresseur 4 haute- pression pour atteindre la même pression d'alimentation de la chambre 36 de combustion. Le procédé comprend en outre, pour un deuxième état de l'aéronef, l'étape S2 consistant à alimenter le moteur 2 avec un air traversant le compresseur 3 basse-pression et le compresseur 4 haute-pression, mais non le filtre 8 à air.

Par exemple, le deuxième état de l'aéronef correspond à un état dans lequel l'aéronef est en vol.

Dans ce cas, le filtre 8 à air n'est plus requis, le risque d'ingestion de sables et poussières étant réduit.

La branche du moteur incluant le compresseur 3 basse-pression alimente le compresseur 4 haute-pression et compense la diminution de densité d'air en altitude. Comme on le constate, la perte de charge est également réduite dans cet état par rapport à l'art antérieur, étant donné que le filtre à air ne cause plus de perte de charge en vol. Le rapport de pression requis sur les compresseurs pour atteindre la même pression d'alimentation en air de la chambre 36 de combustion est réduit. En d'autres termes, à taux de compression égal sur les compresseurs, ceci permet d'augmenter la pression d'alimentation en air, donc la quantité de carburant et au final la puissance motrice.

Dans le premier état de l'aéronef, il existe un risque de pompage du compresseur 3 basse-pression. A cet effet, le procédé peut comprendre l'étape S3 consistant à faire échapper, en aval du compresseur 3 basse- pression, l'air traversant le compresseur 3 basse-pression en dehors du moteur 2. La vanne 46 est ouverte afin de faire échapper l'air en dehors du moteur.

Alternativement, ou en complément, le procédé peut comprendre l'étape consistant à faire échapper un flux gazeux, issu de la chambre 36 de combustion et arrivant en amont de la turbine 15 basse-pression entraînant le compresseur 3 basse-pression, en dehors du moteur 2. A cet effet, la vanne 24 permet l'ouverture d'une dérivation 45 qui permet au flux de contourner la turbine 15 basse-pression.

En cas de détection d'un colmatage du filtre 8 à air, le procédé comprend l'étape S4 consistant à autoriser l'écoulement de l'air alimentant le moteur 2 dans un conduit permettant de contourner le filtre 8 à air. Le clapet 42 anti-colmatage est ainsi activé lorsque le colmatage du filtre 8 à air est détecté par un capteur du filtre 8 à air.

Dans le mode de réalisation de la Figure 1 , en cas de colmatage, l'air alimentant le moteur 2 traverse le compresseur 3 basse-pression, le compresseur 4 haute-pression mais non le filtre 8 à air, et ce, même dans le premier état de l'aéronef.

Il s'agit d'un mode dégradé de fonctionnement, dans laquelle une perte de charge est présente, en raison de la traversée du compresseur 3 basse-pression. Toutefois, ceci permet de conserver une alimentation en air du compresseur 4 haute-pression.

Dans le mode de réalisation de la Figure 2, même si le clapet 53 anticolmatage du filtre 8 est activé, il est également possible de contourner le compresseur 3 basse-pression en ouvrant la vanne 54 sur la dérivation 52, et ce, même dans le premier état de l'aéronef. Il n'y a donc pas de mode dégradé de fonctionnement.

Dans le mode de réalisation de la Figure 3, la vanne 58 permet d'obtenir un contrôle similaire. Le moteur trouve de nombreuses applications, dans différents types d'aéronef. Dans un exemple particulier, le moteur sert d'unité auxiliaire de puissance (en anglais APU, « Auxiliary Power Unit ») afin de fournir de l'énergie non propulsive au sol et en vol lorsque le ou les moteurs principaux de l'aéronef ne sont pas en mesure de le faire.