DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne l'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef qui est équipé d'au moins un turbopropulseur.

ETAT DE L'ART

A bord d'un aéronef, il est nécessaire d'avoir à disposition de l'air afin de pouvoir réaliser certaines fonctions, telles que le conditionnement d'air de la cabine de pilotage et de la cabine des passagers ou le dégivrage de certains organes de l'aéronef. A hautes altitudes, l'oxygène se raréfie et la pression de l'air baisse. Ceci implique, pour assurer le confort et la survie des passagers lors d'un vol, de pressuriser les cabines de l'aéronef. Pour cela, de l'air avec un niveau minimum de pression (en général entre 0,8 et 1 bar) et une température maîtrisée (exigence réglementaire) doit être fourni au circuit de conditionnement d'air. Un aéronef est ainsi équipé d'un circuit de conditionnement d'air qui est alimenté par le ou les moteurs de l'aéronef, qui sont des turbopropulseurs dans le cadre de l'invention.

Typiquement, un turbopropulseur comprend au moins un corps basse pression et un corps haute pression, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une boîte d'engrenages ou boîte de réduction, appelée couramment PGB (pour Power Gear Box). Le corps basse pression comprend un rotor de turbine relié par un arbre à l'hélice et éventuellement à un compresseur. Chaque autre corps comprend un rotor de compresseur relié par un arbre à un rotor de turbine.

Dans la technique actuelle, le circuit de conditionnement d'air est alimenté par de l'air prélevé sur un des compresseurs du turbopropulseur. Ceci présente toutefois des inconvénients parmi lesquels les plus importants sont : - la pression de l'air fourni à l'aéronef dépasse largement le besoin, notamment lors de la phase de montée de l'aéronef, ce qui nécessite des dispositifs de protection en cas de surpression et un dimensionnement des canalisations d'air en conséquence,

- la température de l'air prélevé, au niveau du compresseur, dépasse largement la contrainte réglementaire (température maximale au passage dans les zones carburant), ce qui nécessite un dispositif de refroidissement difficile à intégrer dans la nacelle (généralement appelé pré-refroidisseur - de l'anglais precooler) avant envoi de l'air dans le circuit de l'aéronef, - une énergie importante est perdue ce qui pénalise la consommation et le rendement du turbopropulseur,

- la pression dans le compresseur baisse au ralenti ce qui nécessite soit de relever le niveau de ralenti du turbopropulseur pour avoir suffisamment de pression dans le circuit, soit de prélever l'air à deux endroits sur le compresseur, ce qui nécessite deux ports de prélèvement et autant de vannes pour basculer le prélèvement d'air d'un port à l'autre, ce qui est relativement complexe. Dans les deux cas cela entraîne une surconsommation de carburant au ralenti.

On a déjà proposé des solutions à ce problème. On a notamment proposé d'alimenter un circuit de conditionnement avec de l'air prélevé sur un moteur thermique auxiliaire du type APU (acronyme de Auxiliary Power Unit) monté dans l'aéronef. Cependant, le fonctionnement de ce moteur est optimisé au sol et n'est donc pas performant en altitude. Son utilisation, hors cas de panne moteur, implique une consommation supplémentaire de carburant par rapport à la technique précédente. Par ailleurs, tous les aéronefs ne sont pas équipés d'un moteur du type APU.

On a également proposé d'équiper l'aéronef d'un compresseur dédié (à l'alimentation en air de la cabine) entraîné par un moteur électrique. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car elle entraîne une augmentation de masse significative, du fait notamment de l'ajout du moteur électrique et d'un générateur électrique plus gros pour alimenter ce moteur.

Une solution à ce problème pourrait consister à entraîner le compresseur dédié par le boîtier d'entraînement des équipements accessoires du moteur, appelé généralement boîtier d'accessoires ou AGB (acronyme de Accessory Gear Box). Ce boîtier d'accessoires est accouplé au corps haute pression de la turbomachine. Cependant, cette solution ne serait pas non plus satisfaisante car la vitesse de rotation du corps haute pression varie trop en fonction des conditions de fonctionnement si bien que la vitesse de rotation du rotor du compresseur dédié serait trop faible au ralenti pour que ce compresseur soit capable de fournir un débit d'air à la pression minimum requise au circuit de conditionnement.

La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes des techniques antérieures.

EXPOSE DE L'INVENTION

L'invention propose un turbopropulseur d'aéronef, comportant au moins un corps basse pression et un corps haute pression, voire également un corps à pression intermédiaire, au moins un desdits corps comportant un compresseur, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une première boîte d'engrenages, le turbopropulseur comportant en outre des moyens d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent au moins un compresseur de charge dont le rotor est accouplé au corps basse pression, ledit compresseur comprenant une entrée d'air reliée à des moyens de prélèvement d'air dans :

- le compresseur du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps ne comporte qu'un seul compresseur, ou - dans le compresseur du corps basse pression ou du corps à pression intermédiaire du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps comporte au moins deux compresseurs.

Il n'est ainsi pas nécessaire d'équiper le turbopropulseur d'une écope de prélèvement d'air dans le flux d'air qui s'écoule en fonctionnement autour et à l'extérieur du turbopropulseur. Ce type d'écope a pour inconvénient de générer des turbulences dans ce flux d'air et de nécessiter des moyens de dégivrage spécifiques. L'alimentation en air du compresseur n'est ainsi pas tributaire de l'écoulement d'air à l'extérieur du turbopropulseur.

Avantageusement, le prélèvement d'air a lieu dans le premier étage ou les premiers étages du compresseur ce qui permet de limiter le besoin de compression du compresseur de charge. Le compresseur de charge peut ainsi être plus petit, afin d'améliorer son rendement de compression. Il est en outre plus facile de refroidir l'air pour la cabine de l'aéronef.

L'invention permet par ailleurs de réduire la section de la conduite de prélèvement d'air dans le compresseur, par rapport à celle de la conduite antérieure, du fait de la pression supérieure de l'air prélevé.

Le rotor du compresseur peut être accouplé au corps basse pression par l'intermédiaire de la première boîte d'engrenages.

En variante, le rotor du compresseur est accouplé au corps basse pression par l'intermédiaire d'une deuxième boite d'engrenage

La présente invention propose ainsi une nouvelle technologie pour l'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'aéronef. Cet air est fourni par un compresseur, de préférence dédié à l'alimentation en air de la cabine, et non plus prélevé sur un compresseur du turbopropulseur, ce qui pénalise moins les performances. Selon l'invention, le rotor de ce compresseur dédié est entraîné en rotation par le corps basse pression, par l'intermédiaire d'une boîte d'engrenages, telle que la (première) boîte d'engrenages qui relie le corps basse pression à l'hélice de propulsion. Ceci est particulièrement avantageux, notamment lorsque le turbopropulseur est configuré pour que la vitesse de rotation de son corps basse pression obéisse à une loi de régimes discrets, c'est-à-dire que chaque régime est constant par palier. Le régime de l'hélice peut être compris dans une plage assez restreinte car elle peut ne plus être fonctionnelle si elle ralentit trop. La vitesse de rotation du corps basse pression est notamment constante au cours d'une même phase de vol. On entend par phase de vol une phase durant laquelle l'aéronef opère un seul type de manœuvre. Ainsi, la vitesse de rotation du rotor du compresseur dédié ne dépendra pas des conditions de fonctionnement, et le compresseur dédié pourra fournir un débit d'air à la pression minimum requise au circuit de conditionnement, même au ralenti. Par ailleurs, il n'est plus nécessaire de prévoir au moins deux ports de prélèvement d'air sur le compresseur, ainsi que les vannes associées, ce qui est plus simple.

Le compresseur dédié peut être à un ou plusieurs étages, chacun de n'importe quel type, par exemple un étage axial ou centrifuge.

Le compresseur peut comprendre une entrée d'air reliée à des moyens de prélèvement d'air entre une manche d'entrée d'air et un compresseur du turbopropulseur.

Un échangeur de chaleur, par exemple du type pré-refroidisseur, peut être monté soit en amont ou en aval du compresseur dédié.

Un échangeur de chaleur peut être monté entre deux compresseurs ou deux étages de compresseur (si ce dernier en comporte au moins deux), dont l'un peut être formé par ledit compresseur de charge. Les deux compresseurs ou deux étages de compresseur peuvent composer le compresseur de charge dédié notamment à l'alimentation en air de la cabine. En variante, l'échangeur est disposé entre le compresseur basse pression ou pression intermédiaire et le compresseur dédié. L'avantage de placer ainsi un échangeur de chaleur est qu'il est plus efficace qu'en sortie du compresseur dédié (à même quantité de chaleur évacuée par l'échangeur, la réduction de température de l'air envoyé à l'aéronef est plus forte). Ceci permet par exemple d'utiliser un échangeur de chaleur plus petit que dans la technique antérieure.

Le compresseur de charge peut comprendre une sortie d'air reliée à une canalisation destinée à être raccordée audit circuit. Cette canalisation peut être équipée d'au moins un système de régulation du débit, par exemple une vanne. Elle peut être équipée d'un échangeur de chaleur, par exemple du type pré-refroidisseur. Ce pré-refroidisseur peut être simplifié et être moins encombrant que dans la technique antérieure du fait que l'air d'alimentation du compresseur dédié peut avoir une température relativement faible par rapport à la technique antérieure. Il est par ailleurs envisageable que la pression de l'air sortant du compresseur dédié soit proche de la pression de l'air dans le circuit de conditionnement, et donc relativement basse, ce qui permet de simplifier la canalisation et notamment d'utiliser une canalisation à paroi mince afin d'obtenir un gain de masse par rapport à la technique antérieure.

Avantageusement, le turbopropulseur peut comprendre un démarreur pneumatique dont une entrée d'air est reliée à ladite canalisation. En phase de démarrage le rotor du démarreur pneumatique est accouplé au corps haute pression par un boîtier d'accessoires et alimenté en air par l'aéronef via ladite canalisation. Des vannes permettent l'alimentation exclusive du démarreur. La présente invention permet aussi d'alimenter le démarreur pneumatique via les tuyaux du circuit de conditionnement d'air.

La présente invention concerne encore un procédé d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef qui est équipé d'au moins un turbopropulseur comportant au moins un corps basse pression et un corps haute pression, voire également un corps à pression intermédiaire, au moins un desdits corps comportant un compresseur, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une première boîte d'engrenages, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à prélever de l'air soit dans le compresseur du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps ne comporte qu'un seul compresseur, soit dans le compresseur du corps basse pression ou du corps à pression intermédiaire du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps comporte au moins deux compresseurs, alimenter au moins un compresseur de charge dédié avec l'air prélevé, et entraîner un rotor dudit compresseur de charge par le corps basse pression du turbopropulseur.

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 annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue très schématique d'un turbopropulseur d'aéronef et représente des moyens d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, selon la technique antérieure,

- la figure 2 est une vue très schématique d'une boîte d'engrenages pour l'entraînement du compresseur dédié des moyens d'alimentation en air selon l'invention,

- la figure 3 est une vue très schématique d'un turbopropulseur d'aéronef et représente des moyens d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, selon un mode de réalisation de l'invention,

- les figures 4a, 4b et 4c sont des vues très schématiques de variantes de réalisation des moyens d'alimentation en air de l'aéronef selon l'invention, -

- la figure 5 est un diagramme montrant l'évolution de la température d'air prélevé en fonction de l'entropie, et

- la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 3 et représente une variante de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un turbopropulseur 10 selon la technique antérieure, pour un aéronef.

Le turbopropulseur 10 est ici du type double corps et comprend un corps basse pression 12 et un corps haute pression 14, le corps basse pression 12 entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une boîte d'engrenages 16 ou boîte de réduction, appelée couramment PGB (pour Power Gear Box). Seul l'arbre 18 de l'hélice de propulsion est représenté en figure 1 .

Le corps basse pression 12 comprend ici seulement un rotor de turbine relié par un arbre à la boîte d'engrenages 16. Le corps haute pression 14 comprend un rotor de compresseur relié par un arbre à un rotor de turbine. L'arbre du corps basse haute pression 14, appelé arbre HP 20, est tubulaire et traversé coaxialement par l'arbre du corps basse pression 12, appelé arbre BP 22 ou de puissance. L'arbre BP 22 comprend à une extrémité un pignon (non représenté) accouplé par l'intermédiaire d'une série de pignons de la boîte d'engrenages 16 à l'arbre 18 de l'hélice de propulsion.

Le turbopropulseur 10 comprend un boîtier 24 d'entraînement d'équipements accessoires (appelé boîtier d'accessoires ou AGB pour Accessory Gear Box) qui est accouplé au corps haute pression de la turbomachine 14, et en particulier à l'arbre HP, par l'intermédiaire d'un arbre radial 26. Le boîtier d'accessoires 24 est monté dans la nacelle 28 du turbopropulseur 10, qui est schématiquement représentée par un rectangle en traits pointillés.

Le boîtier d'accessoires 24 porte et entraine plusieurs équipements parmi lesquels un démarreur pneumatique 30 qui, comme son nom l'indique, est destiné à démarrer le turbopropulseur 10 en entraînant en rotation son corps haute pression, par l'intermédiaire du boîtier d'accessoires 24 et de l'arbre radial 26.

Le turbopropulseur 10 comprend en outre une entrée d'air 32 pour l'alimentation en air du moteur, et une tuyère 34 d'échappement des gaz de combustion. Le turbopropulseur 1 0 comprend en outre une chambre de combustion 35, entre les compresseurs BP et HP, d'une part, et les turbines HP et BP, d'autre part.

Le turbopropulseur 10 est en outre équipé de moyens d'alimentation en air d'un circuit 36 de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, ces moyens comprenant, selon la technique antérieure, des moyens de prélèvement d'air dans le moteur du turbopropulseur 1 0. Le moteur du turbopropulseur 1 0 est équipé de deux ports 38 ou bouche de prélèvement d'air comprimé, chacun de ces ports 38 étant relié par une vanne 40, 42 à une canalisation 44 d'alimentation en air du circuit 36.

Le premier port 38 ou port amont (par référence au sens d'écoulement des gaz dans le moteur) permet de prélever de l'air à une pression intermédiaire. La vanne 40 reliée à cette canalisation 44 est du type à clapet anti-retour.

Le second port 38 ou port aval permet de prélever de l'air à haute pression. La vanne 42 reliée à cette canalisation 44 est ouverte lorsque la pression de l'air prélevé par la vanne 40 n'est pas suffisante, l'air prélevé par la vanne 42 étant empêché d'être réinjecté en amont par la fonction anti-retour du clapet de la vanne 40.

La canalisation 44 est équipée d'une vanne 46 qui régule la pression d'alimentation du circuit 36, et d'un échangeur de chaleur 47 du type pré- refroidisseur, qui est destiné à abaisser la température de l'air avant son introduction dans le circuit 36. La canalisation 44 est en outre reliée par une conduite 48 équipée d'une vanne 50 à une entrée d'air du démarreur pneumatique 30. La canalisation 44 traverse une cloison anti-feu 52 avant d'être raccordée au circuit 36.

La technologie représentée en figure 1 présente de nombreux inconvénients décrits plus haut.

La présente invention permet de remédier à ces inconvénients en équipant le turbopropulseur d'un compresseur dédié, appelé compresseur de charge, dont le rotor est accouplé au corps basse pression du moteur par l'intermédiaire de la boîte d'engrenages.

La figure 3 représente un mode de réalisation de cette invention, dans lequel les éléments déjà décrits dans ce qui précède sont désignés par les mêmes références. Le turbopropulseur de la figure 3 peut être du même type que celui représenté en figure 1 ou d'un type différent. Il peut par exemple comprendre plus de deux corps. Par ailleurs, le corps basse pression du turbopropulseur selon l'invention peut comprendre un compresseur BP.

Le turbopropulseur 310 de la figure 3 diffère de celui de la figure 1 essentiellement par les moyens d'alimentation en air du circuit 36.

Ces moyens d'alimentation comprennent ici un compresseur 60 dédié dont le rotor 61 est accouplé par la boîte d'engrenages 16 au corps basse pression 12 et en particulier à l'arbre BP 22. Comme cela est schématiquement représenté à la figure 2, l'arbre de rotor 61 du compresseur 60 peut porter un pignon 61 a engrené avec un pignon 18a de l'arbre 18 de l'hélice du turbopropulseur 1 10, cet arbre 18 portant un autre pignon 18b engrené avec un pignon 22a de l'arbre BP 22. Les pignons 18a, 18b, 22a, 61 a sont logés dans la boîte d'engrenages 16.

Le compresseur 60 comprend une entrée 62 et une sortie d'air 64.

Dans l'exemple représenté, la sortie d'air 64 du compresseur 60 est raccordée à la canalisation 44 d'alimentation en air du circuit 36. Comme décrit précédemment, cette canalisation 44 comprend une vanne 46 qui régule la pression d'alimentation du circuit 36, et un échangeur de chaleur 47 du type pré-refroidisseur, qui est destiné à abaisser la température de l'air avant son introduction dans le circuit 36. La canalisation 44 est en outre reliée par une conduite 48 équipée d'une vanne 50 à une entrée d'air du démarreur pneumatique 30.

L'entrée d'air 62 du compresseur 60 est reliée par une conduite 72 à un port 74 de prélèvement d'air dans un compresseur du moteur. Bien que de l'air soit prélevé du moteur, le moteur est équipé d'un seul port de prélèvement contre deux dans la technique antérieure. Du fait de la compression de l'air prélevé dans le compresseur 60, l'air prélevé n'a pas besoin d'avoir une pression importante. Il est donc envisageable de prélever de l'air le plus en amont possible sur le compresseur.

Le prélèvement d'air peut avoir lieu sur le compresseur basse pression, c'est-à-dire le compresseur du corps basse pression 12. C'est notamment le cas dans un turbopropulseur à double corps et à turbine liée. Dans le cas où le turbopropulseur serait du type à triple corps (et comprendrait un corps à pression intermédiaire dont un compresseur serait disposé en amont du compresseur haute pression) et à turbine libre, le prélèvement d'air pourrait être effectué sur le compresseur à pression intermédiaire. Dans le cas où le turbopropulseur serait du type à triple corps (et comprendrait un corps à pression intermédiaire dont un compresseur serait disposé en amont du compresseur haute pression et en aval du compresseur basse pression) et à turbine liée, le prélèvement d'air pourrait être effectué sur le compresseur basse pression ou à pression intermédiaire. Dans le cas où le turbopropulseur serait du type à double corps et à turbine libre, le prélèvement d'air pourrait être effectué sur le compresseur à haute pression. L'idée première est de bénéficier uniquement du ou des premiers étages de compression (quatrième étage maximum de préférence) pour limiter la taille et la performance du compresseur de charge. On utilise si possible le compresseur de plus basse pression pour maximiser l'opérabilité du corps haute pression voire du corps à pression intermédiaire. Deux compressions successives, respectivement dans le compresseur d'un corps et dans le compresseur de charge, permet d'améliorer le cycle thermodynamique.

Le compresseur de charge 60 utilisé dans le cadre de l'invention (figure 3) peut être de n'importe quel type et est par exemple un compresseur axial à un ou plusieurs étages ou un compresseur centrifuge à un ou plusieurs étages ou encore un compresseur mixte comportant un ou plusieurs étages axiaux et un ou plusieurs étages centrifuges. Il est en outre envisageable d'utiliser plus d'un compresseur de charge et par exemple deux compresseurs de charge montés en série.

Les figures 4a à 4c représentent des variantes de réalisation de l'invention concernant notamment la position de l'échangeur de chaleur 47. Comme cela est visible en figure 4a, l'échangeur de chaleur 47 peut être monté en aval du compresseur 60, c'est-à-dire sur la canalisation 44, comme c'est le cas en figure 2. Dans la figure 4b, l'échangeur de chaleur 47 est monté entre deux compresseurs 60a, 60b. Chaque compresseur peut comporter un ou plusieurs étages afin de couvrir les deux cas précités. Chaque étage peut être un étage axial ou centrifuge. Dans la figure 4c, l'échangeur 47 est monté en amont du compresseur 60, c'est-à-dire sur la conduite 72 décrite en référence à la figure 3. L'échangeur 47 est ainsi monté entre les compresseurs (basse pression et de charge) ce qui permet d'optimiser le cycle de refroidissement de l'air.

Sur le diagramme de la figure 5, on a illustré la compression réalisée de l'air ambiant pour envoi à l'aéronef. On doit comprimer l'air prélevé pour l'amener de la pression P1 à la pression P3 et on utilise un échangeur 47 pour limiter la température de sortie. C représente le prélèvement d'air et D représente la sortie du compresseur de charge 60. On voit que, si on place l'échangeur après la totalité de la compression (configuration A de pré- refroidisseur), il doit dissiper plus de chaleur que si on le place après une première compression moindre (configuration B inter-refroidisseur), complétée par une deuxième compression pour arriver à la pression P3.

La figure 6 représente une autre variante de réalisation du turbopropulseur 410 selon l'invention, qui diffère de celui de la figure 3 essentiellement en ce que le rotor 61 du compresseur 60 est accouplé à l'arbre BP 22, non pas par la boîte d'engrenages 16, mais par une autre boîte d'engrenages 80, qui peut être dédié pour assurer cette fonction d'accouplement de l'arbre BP au rotor du compresseur 60. La boîte d'engrenages 80 peut être accouplée à l'arbre BP 22 par l'intermédiaire d'un arbre radial 82. L'alimentation en air du circuit 36 peut être réalisée de la façon suivante, avec l'un quelconque des modes de réalisation de l'invention décrits dans ce qui précède.

Après démarrage du turbopropulseur 310, 410, le corps basse pression 12 et son arbre 22 tournent en général à une vitesse sensiblement constante. Le rotor du compresseur 60 est entraîné en rotation à une vitesse sensiblement constante, qui dépend notamment du coefficient de réduction de la boîte d'engrenages 16, 80. La rotation de l'arbre de rotor 61 du compresseur 60 provoque l'aspiration et le prélèvement d'air par la conduite 72, jusqu'à l'entrée d'air 62 du compresseur 60. Cet air est alors comprimé par le compresseur 60 qui fournit à la canalisation 44 de l'air comprimé à une pression prédéterminée. La vanne 46 régule la pression d'alimentation du circuit 36. L'échangeur de chaleur 47 permet d'abaisser la température de l'air avant son introduction dans le circuit 36 (figure 4a), avant son entrée dans le compresseur (figure 4c) ou entre deux phases de compression (figure 4b). Quelles que soient les conditions de fonctionnement du turbopropulseur 310, 410, l'arbre de rotor 61 du compresseur 60 tourne à vitesse constante dans le cas où la vitesse de rotation du corps basse pression 12 est également constante.