Brevet FR2563491A1 — publié le 19851031

Procédé et dispositif pour la production d'air frais'de haute énergie et de climatisation pour avions. L'invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour la production d'air frais de haute énergie - et de climatisationpour les avions qui sont munis de propul- seurs principaux et d'un propulseur auxiliaire entraînant un compresseur d'air de climatisation et comprenant une entrée d'air correspondante, un compresseur, un diffuseur et une tuyère de sortie appropriée,ainsi qu'un échangeur de chaleuret qui sont dotés d'un dispositif pour l'as- piration de la couche limite des surfaces portantes de l'avion. L'incorporation d'un propulseur auxiliaire à l'arrière du fuselage des avions pour produire du courant électrique et fournir à l'avion de l'air frais de climatisation est connue, le propulseur auxiliaire ne remplissant ce rôle que pendant le chargement et le déchargement des passagers ou pendant le ravitaillement au sol de l'avion et que les propulseurs principaux ne sont pas en fonctionnement. D'après la pratique uti- lisée jusqu'ici, le propulseur auxiliaire est arrêté en vol et ce sont les réacteurs principaux qui prennent en charge l'alimentation en air de haute énergie et de climatisation. Par la demande de brevet allemand 31 21 909, on connaît par exemple une unité de propulseur auxiliaire et de climatisation intégrée qui comporte un compresseur à géométrie variable qui est entraîné, d'une part, par l'air prélevé sur le propulseur principal de l'avion et, d'autre part, par un accouplement à roue libre le reliant au propulseur auxiliaire assurant l'alimentation en air de haute énergie et de climatisation. Ce dispositif présente l'inconvénient que son fonctionnement est assorti d'une importante consommation de propergol, attendu uQecl-le-c-i7-sans apport d'énergie supplémentaireest constamment proportionnelle à la puissance que doivent fournir les propulseurs principaux en ce qui concerne la quantité d'air prélevée nécessaire ou le propulseur auxiliaire en ce qui concerne la puis- sance mécanique pour l'alimentation correspondante de l'avion. Par ailleurs, les étages du compresseur des propulseurs principaux étant en premier lieu optimisés pour la production de la poussée et non pour la produc- tion d'air prélevé, l'ensemble du propulseur doit être surdimensionné en fonction de cette quantité d'air sup- plémentaire. De plus, le soutirage de l'air prélevé, en particulier pendant la phase de démarrage, pèse lourde- ment sur les propulseurs principaux et compromet ainsi la sécurité de vol de l'avion. L'objet de l'invention est de mettre au point un procéd- et un dispositif pour sa mise en oeuvre, permettant d'améliorer le rendement et la rentabilité de l'alimentation en air de haute énergie et de clima- tisation des avions et d'augmenter ainsi leur sécurité en vol. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait: a) que l'air sortant de la cabine et/ou prove- nant de l'aspiration de la couche limite est amené par un tube de guidage à un tube collecteur formant la sec- tion médiane de l'entrée d'air et, dans le diffuseur placé en aval, est mélangé à une partie de l'air frais affluant par l'entrée d'air, ce mélange s'effectuant avant son entrée dans le compresseur du propulseur auxi- liaire fonctionnant au sol et pendant le vol; b) que par le compresseur d'air de climatisation, entraîné au moyen du propulseur auxiliaire, une autre partie de l'air frais affluant par l'entrée d'air est as- pirée par un canal d'alimentation, puis comprimée pour produire l'air frais de climatisation; c) qu'au moins une partie de l'air provenant de l'aspiration de la couche limite est amenée par le canal d'alimentation à un autre diffuseu3 o elle est mélangée à l'air frais affluant par l'entrée d'air Pour tre. ensuite compriméedans le compresseur d'air de climatisa- tion; d) que l'air frais de climatisation comprimé sortant du compresseur est amené directement par un tube et une conduite tubulaire à la cabine des passagers et/ou à la cabine de pilotage, ou bien que l'air frais de climatisation est amené, si nécessaire, par un tube d'alimentation à l'échangeur de chaleur, puis est ramené par un tube de retour et par la conduite tubulaire à la ou auxdites cabines; e) que le compresseur d'air de climatisation ou le compresseur du propulseur auxilaire ou du propulseur principal reçoit dans son premier étage;par l'intermé- diaire de l'entrée d'airde l'air frais qui, après compres- sion consécutive, peut être utilisé comme air frais de climatisation, et que les autres étages du compresseur, pour son fonctionnement à plein ou à titre auxiliaire, sont soumis à l'action de l'aird'échappEment ou sont alimentés par un mélange d'aird'échaplmonet/air frais ou par de l'air frais; f) qu'en cas de besoin, une partie déterminée o la totalité de l'air d'échappement peut ête amenée par un tube d'alimentation raccordé au tube de guidage a une turbine associée au compresseur d'air de climatisation - Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que des tuyères sont associées au tube de guidage pour accélérer l'air sortant. D'autre part, pour arrêter ou dévier l'air sortant provenant de la cabine et/ou de l'aspiration de la couche limite, des clapets commandés mécaniquement ou électriquement sont disposés sur le tube de guidage. Selon une autre particularité avantageuse de l'invention entre le compresseur d'air de climatisation et la turbine qui lui est associée est inséré un accou- plement et pour dévier l'air frais de climatisation vers l'échangeur de chaleur ou vers la cabine des passagers et/ou la cabine de pilotage en aval du compresseur d'air de climatisation, un régulateur à valve commandé par thermostat est installé à l'entrée du tube. Il est en outre avantageux que l'échangeur de chaleur soit associé à la tuyère de sortie du propulseur auxiliaire. Dans un mode de réalisation avantageux de l'in- vention, au niveau de l'ouverture d'entrée d'air est installé un volet d'admission onmandé qui comporte un systme de racordement asservi le reliant aux clapets et à un dispositif de commande. Un autre accouplement est de préférence disposé entre le compresseur d'air de climatisation et le com- presseur du propulseur auxiliaire. Selon l'invention, au premier étage du compres- seur d'air de climatisation, il est prévu d'associer une chambre annulaire qui comporte, d'une part, une fente pour l'admission de l'air frais comprimé venant du canal du stator et, d'autre part, une sortie pour son évacuation vers l'échangeur de chaleur ou. directement vers les cabines. Au niveau d'une autre chambre annulaire du com- presseur d'air de climatisation, l'invention prévoit aussi d'installer une entrée pour l'air sortant du tube de guidage et agissant par une admission sur les autres étages du compresseur d'air de climatisation. Dans un autre mode de réalisation selon l'inven- tion, le compresseur, pouvant être utilisé à la place du compresseur d'air de climatisation, du propulseur auxi- liaire ou du propulseur principal, est équipé du premier étage et de la chambre annulaire qui comporte la. fente et la sortie, et, sur le compresseurtsont prévus les autres étages avec l'autre chambre annulaire qui est munie de l'entrée et de l'admission. Pour finir, l'invention prévoit d'installer un autre diffuseur entre le canal d'amenée et l'entrée allant au compresseur d'air de climatisation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur leauel: la figure 1 représente schématiquement en coupe le dispositif pour la production d'air frais de haute énergie et de climatisation; la figure 2 est une coupe du compresseur d'air de climatisation. Comme il ressort de la figure 1, dans l'entrée d'air 4 est disposé un tube de guidage 5 qui est muni d'une tuyère 8 et à l'autre extrémité duquel est installé un tube d'amenée 32 pour l'air sortant de la cabine et une conduite tubulaire 33 pour l'air provenant du dispo- sitif non représenté servant à l'aspiration de la couche limite des surfaces portantes, également non représentées, de l'avion. Cet air d'échappement se dirigeant vers la section médiane de l'entrée 4 au moyen du tube de guidage est accéléré par la tu-ère 8 puis, dans le tube collecteur 6, est réuni à l'air frais affluant par l'entrée d'air4,1a différence de pression régnant au niveau du col d'entrée 6a et à la sortie de la tuyère8 augmentant encore la vitesse de l'écoulement. Le mélange de l'air d'échappement à l'air frais s'effectue ensuite dans le diffuseur 7 monté en aval. Ce mélange d'air déjà chauffé etcomrimné et ainsi de haute énergie est amené au compresseur 17 du propulseur auxiliaire dont il assure le fonctionnement efficace et qui est installé à l'arrière [4 de l'avion. En vue d'économiser du propergol pour une meme puissance ou d'augmenter la puissance pour une même t5 consoimatior de propergol, on maintient donc le propulseur auxiliaire constamment en marche pendant l'utilisation de l'avion aussi bien au sol que dans l'air. Simultanément, au moyen du compresseur d'air de climatisation 2 relié au compresseur 17 par un autre ac- couplement 31, une partie de l'air frais provenant de l'entrée d'air 4 est aspirée par un canal d'alimentation 9 et comprimée par le compresseur 2 pour la peoduction de l'air frais de climatisation. Par une autre tuyère 23 disposée sur le tube de guidage 5, la totalité ou seulement une partie de l'air d'échappement provenant de l'aspiration de la couche limite peut aussi être amenée - en particulier si une partie de l'air d'échappement est nécessaire au compres- seur 17 - par le canal d'alimentation 9 à un autre dif- fuseur 18 et éventuellement être mélangée dans ce dernier à l'air frais provenant de l'entrée d'air 4, et ce,avant sa compression dans le compresseur 2 d'air de climatisa- tion. L'air frais de climatisation qui sort du compres- seur 2 et dont la compression du fait de la présence de l'air de la couche limite de haute énergie ne nécessite égale- ment que peu de puissance, est dévié en 10 selon les besoins au moven d'un régulateur à valve 14 commandé par thermostat et est amené, soit par un tube d'alimentation 16, à l'échanaeur de chaleur 11 pour y être réchauffé, soit, directement par un tube 15 et une conduite tubulaire 13, à une cabine non représentée. L'air frais de climati- sation sortant du tube 15 peut ensuite selon les besoins de chaleur, être mélangé au niveau du croisement dutube et d'un tube de retour 12 à l'air frais de climatisa- tion chauffé par l'échangeur de chaleur 11 et être dirigé vers la cabine. L'échangeur de chaleur 11 pour l'absorption de la chaleur des gaz sortants est installé sur la paroi de la tuyère de sortie 3 du propulseur auxiliaire 1. En cas d'un besoin de puissance particulièrement élevé du compresseur 2 auquel incombe non seulement la production de l'air frais de climatisation,mais aussi, de façon non représentée, par exemple la production de l'énergie électrique, une partie déterminée ou la totalité de l'air d'échappement provenant de la cabine et/ou de l'aspiration de la couche limite, peut, à partir du tube de guidage 5,-être amenée par un tube d'alimentation 19 à une turbine 20 raccordée de façon amovible au compres- seur 2 par un accouplement 29. Les gaz brûlés sont ex- pulsés par un tube d'évacuation non représenté. La com- mande de la quantité d'air d'échappement qui est accélérée en direction de la turbine au moyen d'une autre tuyère 24 disposée sur le tube de guidage 5, est assurée par un clapet 28 placé sur ce dernier. L'arrivée de l'air provenant de la cabine et celle provenant de l'aspiration de la couche limite peuvent aussi être commandées individuellement ou en commun au moyen d'un autre clapet 25 réalisé sous la forme d'un obturateur double et disposé sur le tube d'amenée 32 et la conduite tubulaire 33. De la même façon, un autre clapet 26 pour la commande de l'air d'échappement allant au compresseur 2 est placé sur le tube de guidage 5. ln système de raccordement assevi42 est prévu entre les clapets 25,26,28 et un volet 30 placé au niveau de l'entrée d'air 4, ce raccordement aboutissant à un dis- positif de onmande 43 connu et par conséquent non repré- sentéqui détermine de façon cohérente par l'intermé- diaire de ces clapets et volets précités la quantité d'air d'échappement et d'air frais à chaque fois neces- saire. Comme illustré sur la figure 2, à un premier étage 21 du compresseur d'air de climatisation 2 peut être associée une chambre annulaire 36 qui comporte, d'une part, une fente 38 pour l'admission de l'air frais déjà comprimé par le compresseur 2 et venant du canal 37 du stator et, d'autre part, une sortie 39 pour son évacua- tion vers l'échangeur de chaleur 11 ou vers la cabine. Pour l'entraînement à titre auxiliaire ou total néces- saire à cet effet du compresseur 2, on peut prévoir sur celui-ci une autre chambre annubire 41 comportant une entrée 40 pour l'air qui sort du tube de guidage 4 et qui agit par l'intermédiaire d'une admission 44 sur les autres étages 22 du compresseur 2, si bien que ce dernier peut être utilisé extrêmement économiquement pour une faible demande de puissance. Au lieu du compresseur d'air de climatisation 2 équipé de la façon précédemment décrite, on peut aussi utiliser le compresseur 17, conçu de manière identique, du propulseur auxiliaire 1 ou du propulseur principal non représenté - qui, de même que le premier, peut être de construction radiale ou axiale - dont les autres étages 22 pour le fonctionnement du propulseur sont toutefois alimentés avec un mélange air d'échappement/ air frais ou seulement avec de l'air frais. L'avantage de l'invention réside en particulier dans b fait que pour réaliser une économie considérable de propergol ou une augmentation importante de la puis- sance avec même consommation, on utilise l'air prove- nant de la cabine des passagers et/ou de pilotage comme air de combustion de haute énergie pour le fonctionnement efficace du propulseur auxiliaire. Cet air d'échappement n'a perdu dans la cabine qu'une faible partie de sa teneur en oxygène, mais dispose encore d'une grande capacité caloricue et, en raison des conditions générales de simulation imposant en vol a haute altitude de créer dans la cabine au moyen d'air comprimé une pression at- mosphériaue relativement faible pour les passagers, une haute énergie de compression. Cet air d'échappement de haute énergie peut donc être utilisé nn seulement pour l'en- traInement d'une turbine accouplée au compresseur d'air de climatisation en cas d'une demande de puissance parti- culièrement élevéemais aussi pour l'alimentation du compresseur du propulseur auxiliaire., de m me que pour l'entraînement à titre partiel ou total du compresseur d'air de climatisation au moyen de ses étages prévus à cet effet, un fonctionne- ment particulièrement économique pour une faible demande de puissance étant possible dans ce dernier cas. En plus ou en variante de l'air de la cabine, l'air également de très haute énergie provenant de l'aspi- ration de la couche limite peut aussi être utilisé pour le fonctionnement du propulseur auxiliaire ou de la turbine et/ou aussi directement pour la production économique de l'air frais de climatisation dans le compresseur ou dans le dispositif d'aspiration de lacouche limite, attendu que cet air d'échappementen plus d'une haute énergie de compressionpossède en particulier aussi une forte teneur en oxygène. Par ailleurs, du fait de la commande ou de la régulation de la quantité d'air d'échappement et d'air frais à chaque fois nécessaire au moyen de clapets qui sont commandés par un système d'asservissement, ainsi que du fait du désaccouplement des éléments rotatifs non uti- lisés du dispositif, comme par exemple la turbine, il est possible d'adapter le dispositif afin de réunir cons- tamment les conditions optimales pour une production de bon rendement et économique d'air de haute énergie et de climatisation. En raison de l'excellent rendement pouvant être obtenu avec ce mode d'exploitation, on peut renoncer à utiliser l'air provenant des propulseurs principaux pour l'entraînement du compresseur d'air de climatisation. Ainsi, ceux-ci moins chatgés, contribuent à accroître - la sécurité du vol et peuvent en plus être conçus d'un poids plus faible pour une moindre puissance. REVENDICATIONS 1. Procédé et dispositif pour la production d'air frais de haute énergie et de climatisation pour les avions qui sont munis de propulseurs principaux et d'un propulseur auxiliaire entraînant un compresseur d'air de climatisation et comprenant une entrée d'air correspondante, un compresseur, un diffuseur et une tuyère de sortie appropriée, ainsi qu'un échangeur de chaleur, et qui sont dotés d'un dispositif pour l'as- piration de la couche limite des surfaces portantes de l'avion, caractérisé par le fait: a) que l'air sortant de la cabine et/ou prove- nant de l'aspiration de la couche limite est amené par un tube de guidage (5) à un tube collecteur (6) formant la section médiane de l'entrée d'air (4) et, dans le diffuseur (7) placé en aval, est mélangé à une partiede l'air frais affluant par l'entrée d'air (4), ce mélange s'effectuant avant son entrée dans le compresseur (17) du propulseur auxiliaire (1) fonctionnant au sol et pendant le vol, b) cue par le compresseur d'air de climatisation (2) entraîné au moyen du propulseur auxiliaire (1), uneautre partie de l'air frais affluant par l'entrée d'air (4) est aspirée par un canal d'alimentation (9), puis comprimée pour produire l'air frais de climatisa- tion, c) qu'au moins une partie de l'air provenant de l'aspiration de la couche limite est amenée par le canal d'alimentation (9) à un autre diffuseur (18) o elle est mélangée à l'air frais affluant par l'entrée d'air pour être ensuite compriméedans le compresseur d'air de climatisation (2), d) gue l'air frais de climatisation comprimé sortant du compresseur (2) est amené directement par un tube (15) et une conduite tubulaire (13) à la cabine des passagers et/ou à la cabine de pilotage, ou bien que l'air frais de climatisation est amené, si nécessaire, par un tube d'alimentation (16) à l'échangeur de chaleur (11), puis est ramené par un tubede retour (12) et par la conduite tubulaire (13) à la ou auxdites cabines, e) que le compresseur d'air de climatisation (2) ou le compresseur (17) du propulseur auxiliaire (1) ou du propulseur principal reçoit dans son premier étage (21) par l'intermédiaire de l'entrée d'air (4) de l'air frais qui, après compression consécutive, peut être utilisé comme air frais de climatisation, et que les autres étages (22) du compresseur (2), pour son fonctionnement à plein ou à titre auxiliairetsont soumis à l'action de l'aird'échappement ou sont alimentés par un mélange air d'échappement /air frais ou par de l'air frais, f) qu'en cas de besoin, une partie déterminée ou ou la totalité de l'air d'échappement peut être amenée par un tube d'alimentation (19) raccordé au tube de guidage (5) à une turbine (20) associée au compresseur d'air de climatisation (2). 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des tuyères (8,23,24) sont associées au tube de guidage (5) pour accélérer l'air sortant. 3. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que pour arrêter ou dévier l'air sortant provenant de la cabine et/ou de l'aspiration de la couche limite, des clapets (25,26,28) commandés méca- niquement ou électriquement sont disposés sur le tube de guidage (5). 4. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'entre le compresseur d'air de cli- matisation (2) et la turbine (20) qui lui est associée, est inséré un accouplement (29). 5. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que pour dévier l'air frais de cli- matisation vers l'échangeur de chaleur (11) ou vers la cabine des passagers et/ou la cabine de pilotage en aval du compresseur d'air de climatisation (2), un régulateur à valve (14)crmandé par thermostat est installé à l'entrée du tube (15). 6. Dispositif selon les revendications 1 et 5, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur (11) est associé à la tuyère de sortie (3) du propulseur auxiliaire (1). 7. Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait qu'au niveau de l'ouverture de l'entrée d'air (4) est installé un volet d'admission commandé (30) qui comporte un système de raccordement asservi (42) le reliant auxclapets (25,26,28)et à un dispositif de commande (43). 8. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'un autre accouplement (31) est disposé entré le compresseur d'air de climatisation (2) et le compresseur (17) du propulseur auxiliaire (1). 9. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'au premier étage (21) du compres- seur d'air de climatisation (2) est associeune chambre annulaire (36)- qui comporte, d'une part, une fente (38) pour l'admission de l'air frais comprimé venant du canal (37) du stator et, d'autre part, une sortie (39) pour son évacuation vers l'échangeur de chaleur (11) ou di- rectement vers les cabines. 10. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'au niveau d'une autre chambre an- nulaire (41) du compresseur d'air de climatisation (2) est prévueune entrée (40) pour l'air sortant du tube de guidage et agissant par une admission (44)sur les autres étages(22) du compresseur d'air de climatisation (2). 11. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que le compresseur (17), pouvant être utilisé à la place du compresseur' d'air de climatisation (2) , du propulseur auxiliaire (1) ou du propulseur principal,est équipé du premier étage (21) et de la chambre annulaire (36) aui comporte la fente (38) et la sortie (39, et que sur le compresseur (17) sont prévus les autres étages (22) avec l'autre chambre annulaire (41) qui est munie de l'entrée (40) et de l'admission (44). 12. Dispositif selon la revendication (1), carac- térisé par le fait qu'entre le canal d'alimentation (9) et l'entrée (40) allant au compresseur d'air de climati- sation (2) est installé un autre diffuseur (18).