Brevet FR2533530A2 — publié le 19840330

FR 2533530 A2 19840330 FR 8312362 A 19830726 1 2533530 La présente invention concerne les turbomabhines et plus précisément des ensembles intégrés comprenant un groupe moteur auxiliaire et un appareil de conditionnement pour aéronef et analogue. Dans les aéronefs importants, on utilise habi- tuellement un groupe moteur auxiliaire qui comprend un moteur principal entraînant un compresseur dont le rôle est de fournir l'air comprimé nécessaire à l'entraînement de l'appareil de conditionnement d'air de l'aéronef ou à l'entraînement des démarreurs pneumatiques des moteurs de l'aéronef Dans les aéronefs pour passagers, on uti- lise aussi habituellement un appareil de conditionnement destiné au refroidissement, au chauffage et à la pressuri- sation du compartiment des passagers Cet ensemble com- porte une turbine qui peut être entraînée soit par de l'air prélevé sur les moteurs de propulsion de l'aéronef soit par de l'air comprimé provenant d'un moteur séparé (groupe moteur auxiliaire) Le moteur entraîne mécanique- ment un compresseur destiné à transmettre un courant sup- plémentaire d'air à la turbine de l'appareil de condition- nement afin que le débit de ventilation de l'aéronef ait une valeur convenable et que ce courant d'air constitue une source d'énergie pour le conditionnement Le courant d'air de la turbine de l'appareil de conditionnement est aussi transmis à la cabine de l'aéronef à la température et à la pression voulues Jusqu'à présent, on a habituel- lement entraîné le compresseur de l'appareil de condition- nement à son débit maximal afin que le-débit soit maximal pour la condition limite de chauffage ou de refroidisse- ment, la température du courant formé étant réglée par mélange à l'aide d'une soupape de réglage de température. Dans les aéronefs de transport de passagers de grande dimension, on utilise habituellement plusieurs appareils indépendants de conditionnement. Il apparaît que, lorsque plusieurs ensembles indépendants de conditionnement sont utilisés, plusieurs circuits de commande et à capteurs en nombre correspondant soient utilisés Il faut aussi noter que, dans les instal- 2 2533530 lations connues, il est nécessaire de faire fonctioniner chacun de ces compresseurs de conditionnement à leur dé- bit maximal dans toutes les conditions, quelle que soit la demande réelle, afin que toute une gamme de demandes potentielles puisse être satisfaite Evidemment, cette caractéristique ne permet pas une utilisation efficace de l'énergie. Ces inconvénients de la technique antérieure sont supprimés selon l'invention Un dispositif est des- tiné à remplir les fonctions d'un groupe moteur auxilaire et de plusieurs appareilsde conditionnement, de type con- nu, ayant un rendement en énergie nettement accru, une complexité réduite, des coûts réduits de fonctionnement et d'entretien, et un appareillage plus léger et moins coûteux. Les avantages selon l'invention sont obtenus de préférence à l'aide d'un groupe moteur auxiliaire qui comporte un moteur principal et un compresseur à géomé- trie variable Ils peuvent être entraînés par l'air pré- levé dans les moteurs de propulsion de l'aéronef ou ils peuvent être raccordés, par un embrayage à roue libre, afin d'être entraînés par le moteur principal Le com- presseur est couplé à l'arbre d'une turbine à émission contrôlée qui coopère avec le compresseur à la formation d'un appareil de conditionnement Lorsque le compresseur est directement entraîné par le moteur principal, il peut être utilisé à la fois par le groupe moteur auxiliaire et l'appareil de conditionnement Dans une variante, lors- que l'aéronef est en vol, le compresseur peut être désac- couplé du groupe moteur par un embrayage à roue libre, et il peut être entraîné par l'air prélevé sur les mo- teurs de propulsion de l'aéronef afin qu'il alimente l'ap- pareil de conditionnement. On note ainsi que le compresseur unique mis en oeuvre selon l'invention remplace deux compresseurs de l'appareillage connu Cette disposition assure des réductions importantes de poids et de dimension, pouvant 3 2533530 donner lieu à une augmentation de la charge payante ou à une réduction du matériel nécessaire pour une charge payante donnée En outre, le-compresseur à géométrie va- riable possède des ailettes de sortie qui peuvent être réglées afin qu'elles assurent la régulation à une pres- sion sensiblement constante du courant transmis à la tur- bine et maintiennent des rendements de fonctionnement proches de la valeur optimale L'émission de la turbine peut être réglée par séparation du courant transmis afin qu'il soit adapté au compresseur, que l'étranglement dé pression soit réduit au minimum dans la transmission à la turbine et en conséquence que la pression soit main- tenue à une valeur presque constante sur une large plage de débits de fonctionnement Cette disposition permet aussi la déviation d'une partie de l'air évacué par le. compresseur de la turbine à d'autres applications telles que l'entraînement d'un moteur de mise en route des mo- teurs de l'aéronef En outre, cette disposition permet le fonctionnement à vitesse constante de l'appareil de conditionnement, à proximité de son rendement nominal maximal, dans la plus grande partie de la plage de fonc- tionnement En conséquence, l'ensemble selon l'invention a un rendement en énergie très élevé O La présente invention concerne donc un procédé et un appareil remplissant les fonctions d'un groupe moteur auxiliaire et d'un appareil de conditionnement, l'ensem- ble étant peu encombrant et léger, ayant un rendement élevé en énergie et présentant des économies d'installa- tion et d'entretien. L'invention concerne aussi un ensemble combiné formant groupe moteur auxiliaire et appareil de condition- nement, fonctionnant à vitesse constante, à proximité du rendement nominal maximal, dans une large plage de conditiorn de fonctionnement. L'invention concerne aussi un ensemble intégré formant groupe moteur auxilaire et appareil de condition- nement destiné à un aéronef, l'ensemble intégré comprenant un moteur, un compresseur à diffuseur variable, destiné à fonctionner sélectivement par prélèvement d'air du mo- teur de propulsion de l'aéronef ou destiné à être con- necté, par l'intermédiaire de l'embrayage à roue libre, au moteur principal, une turbine à émission contrôlée qui est couplée à l'arbre du compresseur et qui coopère avec celui-ci à la formation d'un appareil de condition- nement, et un dispositif destiné à dévier une partie du débit de sortie du compresseur afin qu'il soit utilisé comme groupe moteur auxiliaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va sui- vre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma d'un ensemble intégré formant groupe moteur auxiliaire et appareil de condi- tionnement selon l'invention décrite dans le brevet prin- cipal; la figure 2 représente le dispositif de sépara- tion placé à l'entrée de la turbine de l'ensemble selon la présente addition; et la figure 3 est un diagramme synoptique du cir- cuit de commande des régulateurs des débits de sortie du compresseur et d'entrée de la turbine selon l'addition. Dans ce mode de réalisation de l'invention choi- si à titre illustratif, les figures représentent un ensem- ble intégré formant groupe moteur auxiliaire et appareil de conditionnement, portant la référence générale 2, et comprenant un moteur principal 4 qui entraîne une trans- mission 6 et, par l'intermédiaire de celle-ci, divers appareillages tels qu'une génératrice 8, un ventilateur de refroidissement, une pompe 12 de carburant, une pompe 14 de lubrification et des embrayages 16 et 18 à roue libre L'embrayage 16 est destiné à coopérer avec un démarreur 20 destiné à faire tourner le moteur princi- pal 4 par l'intermédiaire de la transmission 6 lors de la mise en route du moteur principal 4 L'embrayage 18 peut être embrayé afin qu'il entraîne un compresseur 22 à géométrie variable et une turbine 24 à émission contrôlée qui sont montés sur un arbre commun 26 d'entraînement. Le compresseur 22 à géométrie variable comporte un diffuseur ayant des ailettes de sortie de type varia- ble, qui sont réglables afin qu'elles règlent la section d'écoulement et la pression de l'air transmis au com- presseur 22 et revenant de celui-ci Cette disposition permet un fonctionnement du compresseur 22 à une pres- sion preque constante et à proximité du rendement maximal avec une faible utilisation d'énergie, le moteur princi- pal 4 transmettant une puissance minimale d'entraînement o, lorsque le moteur principal 4 est inactif, le compres- seur 22 est entraîné par une quantité minimale d'air pré- levé dans les moteurs comme indiqué par la référence 28 sur la figure 1 Le cas échéant, un jeu variable d'ai- lettes de guidage d'entrée du compresseur peut aussi être ajouté afin qu'il réduise la consommation d'énergie de l'appareil de conditionnement De tels compresseurs font partie du moteur d'aéronef "Lycoming" T 55-L 11, fabriqué par AVCO Lycoming Corporation, Stratford, Connecticut, et des éléments de moteurs mis au point par the National Aeronautics ans Space Administration La turbine 24 à émission contrôlée comporte un conduit réglable d'entrée tel que représenté sur la figure 2 afin qu'il divise le courant d'air transmis à la turbine, tout en maintenant une pression sensiblement constante afin que la turbine 24 fonctionne à un rendement presque optimal Cette dispo- sition permet le réglage de l'émission de la turbine 24 afin qu'elle corresponde au débit du compresseur 22, ren- dant ainsi minimal l'étranglement de pression vers la- turbine et permettant le maintien d'une pression presque constante dans une large plage de débits de fonctionnement. Le compresseur 22 et la turbine 24 à séparation de débit sont préalablement étalonnés afin que le réglage des ai- lettes du diffuseur et le réglage de la cloison'31 d'en- trée de la turbine correspondent chacun au même pourcen tage du débit maximal ( 100 %) Par exemple, la cloison d'entrée de la turbine de la figure 2 peut être réglée afin qu'elle permette la circulation de l'air à toutes les entrées 25, 27 et 29 de la turbine, soit un débit de 100 %, elle peut être réglée afin qu'elle ferme l'en- trée 25 et donne ainsi un débit de 75 %, ou elle peut être réglée afin qu'elle bouche les deux entrées 25 et 27 et donne ainsi un débit de 50 % Dans un mode de réa- lisation avantageux, l'entrée 29 est toujours ouverte, si bien que la turbine a-un débit d'entrée au moins égal à 50 % du débit possible Les réglages des ailettes du diffuseur sont choisis afin qu'ils donnent le débit con- venant à l'adaptation à l'un quelconque des trois réglages possibles d'entrée de la turbine. Les ailettes du diffuseur et la cloison d'entrée de la turbine peuvent être réglées par un certain nombre -15 de dispositifs classiques tels que des moteurs électri- ques, des dispositifs hydrauliques ou pneumatiques et analogues Dans le mode de réalisation préféré de l'in- vention, le dispositif de commande comporte des moteurs électriquescouplésà un organe 30 de commande qui est pro- grammé afin qu'il réponde à une logique de commande de débit comme décrit plus en détail dans la suite du pré- sent mémoire Le tableau qui suit facilite la compréhen- sion du comportement logique. Conditions d T/dt > 1,10 C/10 S d T/dt de tempéra- ture d T/dt> 1,10 C/min d T/dt 1,10 C 100 % 100 % 100 % Ts-Tc une section 34 de contrôle et une section 36 de priorité. La section 32 de commande de débit reçoit les données pro- venant de la commande 38 de température (Ts) dé la ca- bine, du capteur de température (Tc) de la cabine, et. du circuit 42 de vitesse de variation de la température de la cabine (d T/dt) Comme l'indique le tableau précé- dent, lorsque Ts Tc dépasse 1,1 i C, la section 32 de commande de débit transmet des signaux au compresseur 22 afin qu'il transmette un débit de 100 % et a la tur- bine 24, dont la cloison est convenablement disposée, afin qu'elle accepte un débit de 100 %_ Cette disposition correspond à l'ouverture de toutes les entrées 25, 27 et 29 de la turbine comme indiqué sur la figure 2 Lors- que Ts Tc 1,1 C/10 s, la section 32 de commande de débit indique au compresseur de trans- mettre un débit de 50 % et à la turbine 24 d'accepter un tel débit Lorsque Ts Tc rieur à 1,10 C/10 S mais supérieur à 1,10 C/min, la section 32 de commande de débit indique au compresseur 32 de trans- mettre un débit de 75 % et à la turbine 24 d'accepter un tel débit Enfin, lorsque Ts Tc cloison utilisés antérieurement. La section 34 de contrôle compte le nombre de signaux de changement de débit transmis au compresseur 22 et à la turbine 24 Lorsque l'organe 30 de commande a un fonctionnement cyclique entre les deux mêmes posi- tions de débit plus d'une fois par période de 10 min, la section 34 de contrôle règle le débit à la plus élevée des deux positions et maintient le réglage pendant 10 min avant de permettre à la section 32 de commande de débit de déterminer si le débit doit être modifié En outre, la section 36 de priorité compare constamment le débit d'entrée de la turbine à la ventilation minimale néces- saire préalablement programmée pour la turbine Si la section 32 de commande de débit demande un débit infé- rieur au débit minimal nécessaire,-son signal est sup- primé par la section 34 de priorité. L'ensemble intégré selon l'invention combihe les caractéristiques d'économie d'énergie d'un appareil de conditonnement à recirculation ayant un rendement élevé en énergie et d'un groupe moteur auxiliaire en un seul ensemble intégré qui peut être commandé afin que l'énergie dissipée soit inférieure à celle qui est consommée par un appareil de conditionnement et un groupe moteur auxi- liaire séparés, pendant toute la mission de l'aéronef. Evidemment, la combinaison de l'appareil de condition- nement et du groupe moteur auxiliaire permet l'élimina- tion d'un compresseur, avec les économies correspondantes d'espace, de poids, et de coûts d'installation et de fonc- tionnement En outre, l'accouplement de l'arbre du com- presseur et de la turbine présente un rendement d'environ 98 %, alors que l'accouplement pneumatique classique n'a un rendement que de 80 % environ. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATION Ensemble intégré formant groupe moteur auxi-o liaire et appareil de conditionnement, destiné à un véhi- cule ayant un moteur-de propulsion, selon la revendica- tion du brevet principal, caractérisé en ce qu'il comprend: un moteur principal ( 4), un compresseur à géométrie variable ( 22) compre- nant un diffuseur ayant plusieurs ailettes variables et réglables desortie, un dispositif de positionnement des ailettes variables afin que le débit fourni par le compresseur soit réglé, un embrayage à roue libre ( 18) destiné à cou- pler le moteur principal ( 4) au compresseur ( 22) afin qu'il l'entraîne, un dispositif ( 28) de transmission d'air pré-' levé au moteur de propulsion afin que le compresseur ( 22) soit entraîné lorsque le moteur principal ( 4) ne fonc- tionne pas, une turbine ( 24) à émission contrôlée, couplée au compresseur par un arbre commun d'entraînement, un dispositif ( 31) de séparation du courant transmis à la turbine afin que le débit fourni par le compresseur à la turbine soit adapté au maintien d'une pression presque constante dans une large plage de débits de fonctionnement, et un dispositif destiné à utiliser indépendamment le courant du compresseur et celui de la turbine.