Domaine technique de l’invention

L’invention concerne un système de conditionnement d’air d’une cabine d’aéronef. En particulier, l’invention concerne un système de conditionnement d’air comprenant deux turbomachines motorisées.

Arrière-plan technologique

Dans tout le texte, le terme « cabine » désigne tout espace intérieur d’un aéronef dont la pression et/ou la température de l’air doit être contrôlée. Il peut s’agir d’une cabine pour passagers, du cockpit de pilotage, d’une soute, et de manière générale de toute zone de l’aéronef qui nécessite un air à une pression et/ou une température contrôlée. Cet air à une pression et/ou une température contrôlée est fourni par un système de conditionnement d’air.

Les systèmes de conditionnement d’air comportant des turbomachines motorisées présentent des avantages particuliers et sont de plus en plus utilisés dans les aéronefs à architecture dite « plus électrique » dans lesquels des circuits électriques permettent la transmission d’énergie dans l’aéronef, à contrario des architectures précédentes où la plupart de l’énergie transmise était directement issue de prélèvement d’air au niveau du ou des moteurs ou d’un groupe auxiliaire de puissance.

En particulier, les systèmes de conditionnement d’air prélevaient une partie du flux d’air traversant les moteurs après leur compression, ce qui implique une baisse de charge et une réduction de l’efficacité du moteur pour la poussée ou la sustentation de l’aéronef.

Un système de conditionnement d’air comportant des turbomachines motorisées permet la génération autonome d’une source pneumatique de pression, notamment en prélèvement de l’air extérieur non pressurisé via des écopes, ce qui n’a pas d’effet sur les performances des moteurs.

Cette source pneumatique est ensuite traitée, notamment par le biais d’une extraction de l’eau et d’un refroidissement avant distribution dans la cabine de l’aéronef via une chambre de mélange (ou mélangeur) et un système de distribution. Objectifs de l’invention

L’invention vise à fournir un système de conditionnement d’air plus efficace et plus performant.

L’invention vise en particulier à fournir un système de conditionnement d’air bénéficiant d’une intégration optimisée et compacte, avec un gain en masse et/ou en encombrement.

L’invention vise également à fournir un système de conditionnement d’air fiable et permettant la limitation de la plage de débit réduit entre les conditions de l’aéronef au sol ou en vol.

L’invention vise également à adapter le comportement du système de conditionnement d’air en fonction des conditions de vol de l’aéronef, et en particulier en fonction de son altitude.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention concerne un système de conditionnement d’air d’une cabine d’aéronef, comprenant :

- une première turbomachine motorisée, dite turbomachine d’extraction d’eau, comprenant un compresseur, une turbine d’extraction d’eau comprenant une sortie et une entrée, et un moteur entraînant en rotation le compresseur et la turbine d’extraction d’eau,

- une deuxième turbomachine motorisée, dite turbomachine de refroidissement, comprenant un compresseur, une turbine de refroidissement comprenant une entrée et une sortie, et un moteur entraînant en rotation le compresseur et la turbine de refroidissement,

- une boucle d’extraction d’eau reliée à l’entrée de la turbine d’extraction d’eau et comprenant un condenseur et un séparateur d’eau,

- une sortie du système de conditionnement d’air, configurée pour pouvoir être reliée à la cabine de l’aéronef

le système de conditionnement d’air étant caractérisé en ce que le compresseur de la turbomachine d’extraction d’eau et le compresseur de la turbomachine de refroidissement sont configurés pour recevoir de l’air extérieur à l’aéronef et sont montés en parallèle de sorte à pouvoir alimenter une sortie commune

et en ce qu’il comprend un réseau de conduites et de vannes associées, relié à la sortie commune des compresseurs et permettant d’alimenter à partir de la sortie commune des compresseurs :

- soit l’entrée de la turbine d’extraction d’eau,

- soit l’entrée de la turbine de refroidissement par contournement de la turbine d’extraction d’eau et de la boucle d’extraction d’eau,

- soit directement la sortie du système de conditionnement d’air, par contournement de la turbine de refroidissement, de la turbine d’extraction d’eau et de la boucle d’extraction d’eau.

On entend par « contournement » des turbines une fonction by-pass ou bypass de ces turbines permettant d’éviter le passage de flux d’air dans ces turbines, avantageusement grâce à des vannes by-pass ou bypass.

Un système de conditionnement d’air selon l’invention permet donc une meilleure gestion des conditions de vol de l’aéronef et ainsi de maximiser ses performances. Le système de conditionnement permet la production de plus de puissance froide, en particulier en pouvant utiliser la turbine de refroidissement sans contrainte liée à la turbine d’extraction d’eau. En outre, la disposition des compresseurs en parallèles, les sorties des compresseurs alimentant la sortie commune, permet de fiabiliser le système de conditionnement d’air et permet la limitation de la plage de débit réduit entre les conditions de l’aéronef au sol ou en vol. Le rendement aérodynamique est amélioré et cela permet de potentiellement éviter l’emploi d’un diffuseur variable.

Le domaine d’utilisation du système de conditionnement d’air est étendu et plus flexible, grâce au découplage de la fonction dite « puissance froide » (liée à la turbine de refroidissement permettant de fournir de l’air refroidi), et la fonction d’extraction d’eau liée à la turbine d’extraction d’eau.

L’utilisation de compresseurs liés permet de s’affranchir d’une source externe d’air pressurisé. En particulier, chaque compresseur peut assurer l’intégralité de la fourniture en air du système de conditionnement d’air, notamment si l’un des compresseurs est en panne ou si une des turbomachines motorisées est arrêtée.

L’ensemble des ces avantages permet une intégration optimisée et compacte, notamment un gain de masse et d’encombrement, en réalisant les fonctions de conditionnement d’air avec un nombre d’équipement limité tout en conservant une grande flexibilité.

Dans les systèmes de l’art antérieur, les fonctions de refroidissement et d’extraction d’eau ne sont pas découplées ce qui limite toute optimisation selon les phases de vol et les conditions climatiques. De plus, la mise en série des compresseurs dans les systèmes de l’art antérieur ne permet pas une fiabilité suffisante, notamment dans les architectures d’aéronef « plus électrique ».

L’invention permet une architecture de système de conditionnement d’air fiable, flexible, et s’adaptant facilement selon que l’aéronef soit au sol, en vol, et en fonction de l’altitude.

Avantageusement, un système de conditionnement d’air selon l’invention comprend :

un module de commande, configuré pour commander le réseau de conduites et de vannes en fonction de l’altitude de l’aéronef et de la température de l’air au niveau de la sortie commune, pour permettre d’alimenter à partir de la sortie commune des compresseurs : o soit l’entrée de la turbine d’extraction d’eau, lorsque l’aéronef est au sol ou en basse altitude,

o soit directement l’entrée de la turbine de refroidissement en contournant la turbine d’extraction d’eau et la boucle d’extraction d’eau par ouverture d’une première vanne, lorsque l’aéronef est à moyenne altitude et/ou la température de l’air est supérieure à un seuil prédéterminé,

o soit directement la sortie du système de conditionnement d’air, en contournant la turbine de refroidissement, la turbine d’extraction d’eau et la boucle d’extraction d’eau par ouverture de la première vanne et d’une seconde vanne, lorsque l’aéronef est à haute altitude et/ou lorsque la température de l’air est inférieure au seuil prédéterminé.

Selon cette variante de l’invention, le système de conditionnement d’air permet de s’adapter aux différentes conditions de vol de l’aéronef dans lequel il est intégré.

En particulier, lorsque l’aéronef est au sol et à basse altitude (par exemple en dessous de 15000 pieds d’altitude), la génération de puissance froide et la séparation de l’eau sont nécessaires et fonctionnent donc de manière nominale, c’est-à-dire que les turbines de refroidissement et d’extraction d’eau ne sont pas contournées.

Lorsque l’aéronef est à moyenne altitude (par exemple supérieure à 15000 pieds par jour chaud et inférieure à 25000), la séparation de l’eau n’est plus nécessaire et est rendue inactive pas le contournement de la turbine d’extraction d’eau et de la boucle d’extraction d’eau (par exemple par ouverture d’une vanne de contournement ou vanne de bypass).

Lorsque l’aéronef est à haute altitude (par exemple supérieure à 25000 pieds) et lorsque les conditions de température le permettent, la turbine de refroidissement peut aussi être contournée car le besoin de puissance froide est moins élevé, car l’air extérieur prélevé est suffisamment froid.

Avantageusement, un système de conditionnement d’air selon l’invention comprend une conduite reliant la cabine à l’entrée de la turbine d’extraction d’eau et/ou l’entrée de la turbine de refroidissement.

Selon cet aspect de l’invention, l’air sortant de la cabine de l’aéronef, souvent appelé « air vicié », peut être récupéré pour alimenter l’entrée d’une des turbines du système de conditionnement d’air. Cela permet une récupération d’énergie qui entraîne la ou les turbines, réduisant ainsi la consommation électrique du système de conditionnement d’air.

Cette variante de l’invention est particulièrement intéressante pour alimenter une turbine lorsqu’elle est contournée par le système de conditionnement d’air, auquel cas elle n’est plus utilisée. L’alimentation par l’air vicié permet de récupérer de l’énergie pour faire fonctionner les compresseurs. Avantageusement, un système de conditionnement selon l’invention comprend au moins un échangeur configuré pour être traversé par de l’air sortant de la sortie de la turbine d’extraction d’eau. Cet échangeur fait de préférence partie de la boucle de refroidissement d’eau, et est typiquement un condenseur/réchauffeur ( condenser/reheater en anglais).

Avantageusement, un système de conditionnement selon l’invention comprend au moins un aubage fixe à section d’injection variable monté sur la turbine d’extraction d’eau et/ou sur la turbine de refroidissement d’air de manière à pouvoir modifier sur commande le débit d’air alimentant une entrée d’air de la ou les turbines sur laquelle G aubage est monté.

L’invention concerne également un procédé de commande d’un système de conditionnement d’air selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend :

- une étape de réception d’une donnée représentative de l’altitude de l’aéronef,

- une étape de réception d’une donnée représentative de la température de l’air au niveau de la sortie commune des compresseurs,

- une étape de sélection d’un mode de fonctionnement en fonction de l’altitude de l’aéronef et la température de l’air au niveau de la sortie commune des compresseurs, parmi :

o un premier mode de fonctionnement lorsque l’altitude de l’aéronef est inférieure à un premier seuil prédéterminé, dans lequel le réseau de conduites et de vannes est configuré pour connecter la sortie commune à la turbine d’extraction d’eau ; o un deuxième mode de fonctionnement lorsque l’altitude de l’aéronef est supérieure au premier seuil prédéterminé et inférieure à un deuxième seuil prédéterminé, et/ou lorsque la température de l’air est supérieure à un seuil prédéterminé, dans lequel le réseau de conduites et de vannes est configuré pour connecter la sortie commune à la turbine de refroidissement en contournant la turbine d’extraction d’eau et la boucle d’extraction d’eau ; o un troisième mode de fonctionnement lorsque l’altitude de l’aéronef est supérieure au deuxième seuil prédéterminé ou la température de l’air est inférieure à un seuil prédéterminé, dans lequel le réseau de conduites et de vannes est configuré pour connecter la sortie commune à la sortie du système de conditionnement d’air.

L’invention concerne également un aéronef comprenant une cabine, caractérisé en ce qu’il comprend un système de conditionnement d’air selon l’invention, ledit système de conditionnement d’air alimentant en air conditionné ladite cabine de l’aéronef.

Les avantages d’un système de conditionnement d’air selon l’invention s’appliquent mutatis mutandis à un aéronef selon l’invention.

L’invention concerne également un système de conditionnement d’air, un procédé de commande d’un tel système de conditionnement d’air, et un aéronef comprenant un tel système de conditionnement d’air, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.

Liste des figures

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :

[Fig. 1] est une vue schématique d’un système de conditionnement d’air selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig. 2] est une vue schématique d’un procédé de commande selon un mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.

En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.

La figure 1 représente schématiquement un système 10 de conditionnement d’air selon un mode de réalisation de l’invention. Le système de conditionnement d’air comprend une sortie 60, alimentant ici une chambre de mélange ou mélangeur 100 alimentant en air conditionné la cabine 200 d’un aéronef.

Le système 10 de conditionnement d’air comprend une première turbomachine motorisée, dite turbomachine 12a d’extraction d’eau, et une deuxième turbomachine motorisée, dite turbomachine 12b de refroidissement.

Chaque turbomachine motorisée comprend, de façon classique, un compresseur, une turbine et un moteur reliés sur un même arbre, la rotation de ces trois éléments étant liée par ledit arbre. En particulier, le moteur peut générer un couple entraînant une rotation de l’arbre et ainsi une rotation du compresseur et de la turbine associés.

En particulier, la turbomachine 12a d’extraction d’eau comprend un compresseur 14a, une turbine 16a d’extraction d’eau et un moteur 18a, ces éléments étant liés en rotations par un arbre 20a.

De la même façon, la turbomachine 12b de refroidissement comprend un compresseur 14b, une turbine 16b de refroidissement et un moteur 18b, ces éléments étant liés en rotations par un arbre 20b.

Le compresseur 14a de la turbomachine 12a d’extraction et le compresseur 14b de la turbomachine 12b de refroidissement ont des fonctions similaires : les deux compresseurs 14a, 14b reçoivent de l’air 22 extérieur à l’aéronef lorsque les moteurs des turbomachines motorisées les entraînent en rotation, par exemple en provenance d’une écope disposée sur la paroi extérieure de l’aéronef. Cet air est compressé et l’air compressé provenant des deux compresseurs alimente une sortie 24 commune aux deux compresseurs. Les deux compresseurs sont disposés en parallèle, chaque compresseur alimentant directement la sortie 24 commune. Chaque compresseur est configuré pour pouvoir alimenter seul la sortie 24 commune, notamment en cas de panne d’un des deux compresseurs ou si une des deux turbomachines motorisées est arrêtée.

L’air compressé alimentant la sortie 24 commune est ensuite traité par le système de conditionnement d’air pour atteindre les critères de température, de pression et d’humidité pour pouvoir alimenter la cabine 200 de l’aéronef via le mélangeur 100. Un réseau de conduites et de vannes, décrit ci-dessous, permet le passage de l’air dans différents dispositifs permettant son traitement de la sortie 24 commune à la sortie 60 du système de conditionnement d’air, permettant ainsi d’alimenter le mélangeur 100.

Dans un premier temps, l’air peut être classiquement refroidi dans un échangeur 26 alimenté par un passage d’air dynamique (communément appelé ram air en anglais) de l’aéronef. Ce refroidissement peut être contourné par une vanne

27 si la température de l’air est suffisante.

Ensuite, un passage de l’air est possible dans une boucle 28 d’extraction d’eau. Cette boucle 28 d’extraction d’eau comprend un condenseur comprenant un premier échangeur 30a de chaleur et un deuxième échangeur 30b de chaleur configurés pour refroidir l’air compressé. L’air compressé traverse les deux échangeurs et est ainsi refroidi une première fois, ce qui facilite la condensation de l’eau dans l’air.

En sortie d’échangeur, un séparateur 32 d’eau (ou extracteur d’eau) permet de réduire la quantité d’eau présente dans l’air. Par exemple, ce séparateur d’eau peut être de type à centrifuge, et permet la récupération de l’eau qui peut être réinjectée dans l’air dynamique pour augmenter les performances de l’échangeur 26.

L’air dont l’eau a été extraite passe dans le premier échangeur 30a pour refroidir l’air compressé entrant dans la boucle 28 d’extraction d’eau, et parvient dans une entrée 160 de la turbine 16a d’extraction d’eau. L’air est ainsi détendu et ressort par une sortie 162 de la turbine 16a d’extraction d’eau. Cet air détendu passe par le deuxième échangeur 30b pour refroidir l’air compressé entrant dans la boucle

28 d’extraction d’eau.

Les deux échangeurs forment un condenseur/réchauffeur ( condenser/reheater en anglais).

Le système de conditionnement d’air comprend une première vanne 34 de contournement, ou vanne bypass, permettant de contourner la boucle 28 d’extraction d’eau et la turbine 16a d’extraction d’eau si l’humidité de l’air de la sortie commune est suffisamment faible.

Une vanne 35 de blocage, facultative, est aussi présente dans ce mode de réalisation et permet de bloquer totalement l’accès à la boucle 28 d’extraction d’eau et à la turbine 16a d’extraction d’eau. Selon un autre mode de réalisation non décrit, la première vanne 34 de contournement et la vanne 35 de blocage peuvent être toutes les deux remplacées par une unique vanne trois-voies, permettant de diriger le flux d’air soit vers la boucle 24 d’extraction d’eau, soit vers la turbine 16b de refroidissement et/ou la sortie 60, en bloquant ou non l’accès à la boucle 24 d’extraction d’eau.

L’air provenant de la sortie de la turbine 16a d’extraction d’eau, ou directement de la sortie 24 commune si la vanne 34 de contournement est ouverte, peut ensuite être dirigé vers une entrée 164 de la turbine 16b de refroidissement pour être de nouveau détendu et refroidi. L’air ainsi détendu et refroidi sort de la turbine 16b de refroidissement par une sortie 166 de la turbine de refroidissement.

La sortie 166 de la turbine 16b de refroidissement est reliée à la sortie 60 du système de conditionnement d’air, elle-même reliée au mélangeur 100 pour permettre l’alimentation en air conditionné de la cabine 200 de l’aéronef.

Le système de conditionnement d’air comprend une deuxième vanne 36 de contournement, ou vanne bypass, permettant de contourner la turbine 16b de refroidissement si la température de l’air de la sortie commune est suffisamment faible.

Ainsi, si l’air fourni par les compresseurs au niveau de la sortie 24 commune présente les bonnes conditions de température et d’humidité, et éventuellement de pression ou d’autres paramètres, la première vanne 34 de contournement et la deuxième vanne 36 de contournement peuvent être ouvertes et la sortie 24 commune est directement reliée à la sortie 60 du système de conditionnement d’air.

Les conditions d’ouverture ou de fermeture de ces vannes de contournement sont gérées par un module 38 de commande. Le module de commande est généralement disposé, comme le mélangeur 100, dans la zone pressurisée de l’aéronef, tandis que le reste du système 10 de conditionnement d’air est disposé dans une zone non-pressurisée. La frontière entre la zone pressurisée et la zone non- pressurisée est symbolisée par la ligne 40 en pointillé.

Le module 38 de commande reçoit une multitude d’informations provenant des capteurs (non représentés) dans le système de conditionnement d’air, notamment des capteurs fournissant :

des informations 42 ou données représentatives de la température de l’air au niveau de la sortie commune,

des informations 44 ou données représentatives de l’humidité de l’air au niveau de la sortie commune,

des informations 46 ou données représentatives de l’altitude de l’aéronef,

et d’autres informations ou données pouvant être pertinentes pour le contrôle du système de conditionnement d’air.

Le module 38 de commande, en fonction des ces données, peut envoyer des signaux de commande d’ ouverture ou de fermeture de vannes et en particulier peut envoyer :

un signal 48 de commande à la vanne 27,

un signal 50 de commande à la première vanne 34 de contournement, un signal 52 de commande à la deuxième vanne 36 de contournement. Pour gérer l’envoi des signaux, le module 38 de commande peut suivre un procédé de commande préprogrammé.

Par exemple, un procédé de commande selon un mode de réalisation de l’invention, tel que représenté sur la figure 2, peut comprendre :

- une étape 70 de réception d’une donnée représentative de l’altitude de l’aéronef,

- une étape 72 de réception d’une donnée représentative de la température de l’air au niveau de la sortie commune des compresseurs,

- une étape 74 de sélection d’un mode de fonctionnement en fonction de l’altitude de l’aéronef et la température de l’air extérieur, parmi :

o un premier mode 80 de fonctionnement lorsque l’altitude de l’aéronef est inférieure à un premier seuil Hi prédéterminé, dans lequel le réseau de conduites et de vannes est configuré pour connecter la sortie commune à la turbine d’extraction d’eau ; o un deuxième mode 82 de fonctionnement lorsque l’altitude de l’aéronef est supérieure au premier seuil Hi prédéterminé et inférieure à un deuxième seuil ¾ prédéterminé, ou lorsque la température de l’air est supérieure à un seuil prédéterminé, dans lequel le réseau de conduites et de vannes est configuré pour connecter la sortie commune à la turbine de refroidissement en contournant la turbine d’extraction d’eau et la boucle d’extraction d’eau ;

o un troisième mode 84 de fonctionnement lorsque l’altitude de l’aéronef est supérieure au deuxième seuil prédéterminé ou la température de l’air est inférieure à un seuil prédéterminé, dans lequel le réseau de conduites et de vannes est configuré pour connecter la sortie commune à la sortie du système de conditionnement d’air.

Dans ce mode de réalisation, l’air sortant de la cabine 200 de l’aéronef, souvent appelé « air vicié », peut être récupéré pour alimenter l’entrée d’une ou de plusieurs des turbines du système de conditionnement d’air, par exemple ici l’entrée 164 de la turbine 16b de refroidissement et l’entrée 160 de la turbine 16A d’extraction d’eau, via une conduite 54. Cela permet une récupération d’énergie qui entraine la ou les turbines lorsque celles-ci ne sont pas utilisées pour leur fonction respective de refroidissement ou d’extraction d’eau, réduisant ainsi la consommation électrique du système de conditionnement d’air.