Brevet FR2609686A1 — publié le 19880722

// INSTALLATION DE CONDITIONNEMENT D'AIR A HAUT RENDEMENT POUR ENGIN AERONAUTIQUE L'invention est relative à une installation de condi- tionnement d'air pour engin aéronautique, notamment pour avion de transport de passagers. L'air nécessaire aux passagers d'un avion volant en altitude est fourni par une installation de conditionnement d'air qui, à partir de l'air extérieur à faible pression, sou- vent de l'ordre de 280 millibars, délivre dans la cabine de l'air à une pression de 800 mb environ et une température de l'ordre de 0 C (car il faut en général refroidir une cabine d'avion en raison de la chaleur dégagée par les passagers eux-mêmes). A cet effet, l'installation comporte un compresseur d'entrée recevant l'air extérieur et délivrant l'air comprimé avec travail - et donc chauffé - soit directement dans la cabine (s'il faut chauffer cette dernière), soit dans un groupe refroi- disseur. Un tel groupe comporte un second compresseur, suivi par un échangeur de chaleur soumis à un courant d'air extérieur, par exemple à une température de 10 C environ, pour assurer le refroidissement. L'air comprimé sortant de l'échangeur est ensuite détendu avec travail (ce qui permet un refroidissement) à l'aide d'une turbine de détente montée sur le même arbre que le compresseur pour l'amener à la pression et la température voulues à la sortie du groupe. Pour régler la température, si elle est trop basse, on règle le degré d'ouverture d'une vanne de dérivation se trouvant entre l'échangeur et la cabine de l'avion. L'énergie nécessaire pour fournir l'air comprimé à l'entrée du groupe de refroidissement est importante et doit être minimisée. L'invention permet une telle minimisation de cette consommation d'énergie. A cet effet on se base sur le fait que l'air se trouvant dans la cabine de l'avion en vol est à une pression supérieure à la pression ambiante et que pour minimiser cette énergie, on peut soit diminuer le travail de la turbine de détente à température de sortie constante, et donc diminuer la température d'entrée, soit refroidir l'air extérieur de refroidissement de l'échangeur. Selon l'invention l'air sortant de la cabine est amené à une turbine de détente fournissant de l'air froid, qui est mélangé à l'air de refroidissement de l'échangeur pour abaisser la température à l'entrée de la turbine du groupe de refroidissement et diminuer l'abaissement de température à travers la roue de turbine jusqu'à l'annuler dans certains cas. Ceci permet de diminuer la puissance du compresseur d'entrée et de se passer d'une turbine de détente après ce compresseur d'entrée. Dans un mode de réalisation préféré, la turbine de détente actionnée par l'air sortant de la cabine entraîne un compresseur recevant de l'air extérieur et dont l'action s'ajoute à celle du compresseur d'entrée. Comme ce dernier il fournit de l'air à l'entrée du groupe de refroidissement. Ainsi on diminue encore plus la puissance du compresseur d'entrée. De façon générale, l'invention consiste à utiliser l'air sortant de la cabine pour actionner au moins un organe de l'installation de conditionnement d'air. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux figures 1 à 3 qui sont des schémas d'installations de conditionnement d'air selon l'invention. Sur la figure 1 on a représenté une installation de conditionnement d'air à bord d'un avion de transport de passa- gers qui comporte une première ouverture 10 de réception de l'air extérieur, à basse pression de l'ordre de 280 millibars, lorsque l'avion est en vol. Cette ouverture est connectée, par l'intermédiaire d'un premier compresseur 10', à une canalisa- tion 11 de distribution reliée elle-même à l'entrée de deux compresseurs identiques 12 et 121. L'ouverture 10 est reliée aussi à l'entrée d'un autre compresseur 14. Une vanne de dérivation 30 permet, lorsqu'il faut chauffer la cabine 16 - o se trouvent les passagers et l'équipage d'amener directement l'air sortant du compresseur 10' dans cette cabine. Quand il faut refroidir la cabine, l'air sortant du compresseur 10' est refroidi par un groupe de refroidissement dont font partie les compresseurs 12, 13 et 14. L'air sortant du compresseur 12 traverse un échangeur de chaleur 15 et sort de cet échangeur pour être introduit dans la cabine 16 en passant par une vanne de dérivation modulable 17 et par une turbine de détente 18 en parallèle sur la vanne 17. L'échangeur de chaleur 15 refroidit l'air comprimé sortant du compresseur 12. Le fluide de refroidissement est constitué par de l'air extérieur introduit par une ouverture correspondante 18'. Lorsque l'avion est en vol, le refroidisse- ment est complété par de l'air froid à une température de l'ordre de 40 C, fourni par une tubulure 19 alimentée par une autre turbine de détente 20 qui, selon un aspect important de l'inve- ntion, reçoit l'air sortant de la vanne 21 d'évacuation de l'air dans la cabine 16 et le détend à la pression extérieure. Selon un autre aspect important de l'invention, le compresseur 14 est entraîné par l'arbre 22 de la turbine 20. De la même manière le compresseur 121 est associé à un échangeur de chaleur 151, à une vanne de dérivation 171 et à une turbine de détente 181. L'échangeur 151, comme l'échangeur 15, assure un refroidissement par l'air extérieur grâce à une ouverture corres- pondante 18'1 et, lorsque l'avion est en vol, en plus par l'air provenant de la turbine 20. Le compresseur 14, relié à l'ouverture 10, a le même rôle que le compresseur 10'. Il permet de diminuer la puissance de ce dernier compresseur grâce à l'augmentation de débit qu'il réalise dans la canalisation 11. Le fonctionnement est le suivant En vol, à l'altitude de croisière, les vannes 17 et 171 sont ouvertes et les turbines de détente 18 et 181 ne sont ainsi pas utilisées. L'air extérieur qui est comprimé par les compresseurs 10' et 14, passe dans des clapets 40 et 401en parallèle sur les compresseurs 12 et 121, puis dans les échangeurs 15 et 151 d'o il repart ensuite directement dans la cabine 16. Du fait de la compression l'air sortant de ces compresseurs 10' et 14 est à température élevée. Les échangeurs et 151 assurent le refroidissement afin que l'air pénètre à la température de 0 C dans la cabine 16. Dans ces échangeurs le refroidissement est obtenu, d'une part grâce à l'air extérieur, par les entrées 18' et 18'1, et, d'autre part, par de l'air à 1'ai -40 C environ grâce à la turbine 20 qui détend avec travail l'air provenant de la cabine 16. En outre cette détente permet le fonctionnement du compresseur 14. En d'autres termes, l'énergie provenant de la détente de l'air évacué de l'avion contribue à la compression de l'air extérieur et au refroidissement de l'air comprimé. Quand l'avion est au sol la pression dans la cabine 16 étant la même que la pression à l'extérieur on ne peut alors bien entendu pas utiliser l'énergie due à la détente lors de l'évacuation de l'air. C'est pourquoi on fait alors appel aux turbines de détente 18 et 181, les vannes 17 et 171 étant fermées dans ce cas. Cependant, si en vol, le refroidissement n'est pas suffisant on peut utiliser les turbines 18 et 181. Dans ce cas le degré d'ouverture des vannes 17 et 171 constitue,. de façon classique, un moyen de réglage supplémentaire de la température dans la cabine 16 de l'avion. Dans une variante (non représentée) l'arbre 22 de la turbine 20 entraîne l'arbre sur lequel sont montés le compres- seur 12 et la turbine 18. Dans ce cas l'action de la turbine 20 s'ajoute à l'action du moteur 31 entraînant le compresseur 12 et la turbine 18 ou remplace ce moteur 31. Dans une réalisation, à l'entrée de la turbine 20 on prévoit un injecteur 32 à section variable, ce qui permet de faire varier la température de l'air de refroidissement fourni par la tubulure 19. La section de l'injecteur sera la plus grande, et donc la puissance maximum, quand l'air extérieur de refroidissement est à une température relativement élevée, par exemple à basse altitude. Cette disposition s'applique soit dans le cas de la réalisation représentée sur la figure 1 soit dans la variante décrite ci-dessus pour laquelle la turbine 20 entraîne le compresseur 12. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, la détente avec travail produite par la turbine 20 n'est pas utilisée dans l'échangeur 15 mais dans un échangeur supplémen- taire 35 qui refroidit l'air sortant de l'échangeur 15, la vanne 17 étant complètement ouverte. L'avantage de cette réalisation par rapport à celle décrite en relation avec la figure 1 est une plus grande effica- cité, c'est-à-dire que la puissance à fournir à l'installation de conditionnement d'air est inférieure. Cependant son coût de réalisation est plus important car il faut prévoir un échangeur supplémentaire 35. Il est possible de combiner les deux réalisations, par exemple en prévoyant plusieurs turbines de détente 20, certaines étant utilisées pour l'échangeur 15 et d'autres pour l'échangeur 35. Dans l'exemple de la figure 3, l'arbre 22, sur lequel sont montés le compresseur 14 et la turbine 20, est couplé à un moteur 50 qui est mis en marche lorsque la différence de pres- sion entre la cabine 16 et l'extérieur est faible, c'est-à-dire quand l'avion est au sol ou à basse altitude. Dans ce cas le groupe de refroidissement 41 qui comprend le compresseur 12 et la turbine 18 peut être mis hors d'action. Le refroidissement est assuré par la détente avec travail dans la turbine 20 qui fournit de ltair de refroidissement à l'échangeur 35. REVENDICATIONS 1. Installation de conditionnement d'air pour engin aéronautique, notamment pour avion de transport de passagers, caractérisée en ce que, en vol, l'énergie résultant de la dé- tente de l'air sortant de la cabine est utilisée pour actionner au moins un organe (14, 20) de l'installation. 2. Installation selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la détente de l'air sortant de l'engin aéronauti- que est utilisée pour le refroidissement. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine de détente (20) actionnée par l'air provenant de la cabine et insufflant l'air détendu avec travail dans un échangeur de chaleur (15, 151; 35). 4. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que la détente de l'air sortant de la cabine est utilisée pour comprimer l'air extérieur. 5. Installation selon les revendications 3 et 4, carac- térisée en ce qu'elle comporte un compresseur (14) entrainé par l'arbre (22) de la turbine de détente (20). 6. Installation selon l'une des revendications 2 à 5 et comprenant un groupe de refroidissement avec un échangeur de chaleur (15, 151), caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (15, 151) est refroidi par l'air extérieur en même temps que par la détente de l'air sortant de l'avion. 7. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que, pour le conditionne- ment d'air au sol, on prévoit une turbine de détente (18, 181) de l'air sortant d'un compresseur (12, 13), cette turbine étant partiellement ou totalement hors d'action quand l'avion est en vol. 8. Installation selon les revendications 2 et 7 et comprenant un groupe de refroidissement avec un compresseur (12, 13) et un échangeur (15, 151) pour refroidir l'air ainsi comprimé, caractérisée en ce qu'elle comporte une vanne de dérivation (17, 171) modulable permettant, lorsqu'elle est ouverte, d'introduire l'air sortant de l'échangeur de chaleur (15, 151) directement dans la cabine et, lorsqu'elle est fermée, de faire passer cet air sortant de l'échangeur (15, 151) à travers la turbine de détente (18, 181), avec toutes les possibilités intermédiaires. 9. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 5, comprenant un groupe de refroidissement (41) à compresseur (12) et échangeur de chaleur (15), caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur de chaleur supplémentaire (35) assurant le refroidissement de l'air sortant du premier échan- geur (15), le refroidissement dans l'échangeur supplémentaire (35) étant assuré par la détente de l'air sortant de l'engin. 10. Installation selon la revendication 2, caractéri- sée en ce qu'elle comporte une turbine de détente (20) actionnée par l'air provenant de la cabine et en ce que cette turbine est alimentée par un injecteur à section variable (32). 11. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une tur- bine de détente (20) actionnée par l'air provenant de la cabine et entraînant un arbre sur lequel est monté au moins un compres- seur (12) et le cas échéant un moteur (31) et une turbine de détente (18). 12. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une tur- bine de détente (20) actionnée par l'air provenant de la cabine, cette turbine étant également entraînée par un moteur (50) qui est en action lorsque la différence de pression entre la cabine de l'engin et l'extérieur est inférieure à un seuil prédéterminé.