Brevet FR2800706A1 — publié le 20010511

I La présente invention est relative à un procédé d'alimentation d'une entrée d'air frais de la cabine d'un aéronef propulsé par au moins un moteur à réaction et, plus particulièrement, à un tel procédé suivant lequel on comprime de l'air prélevé sur le moteur dans un turbocompresseur, on refroidit l'air ainsi comprimé dans un échangeur de chaleur traversé par de l'air extérieur à l'aéronef, on alimente une roue de turbine du turbocompresseur avec l'air ainsi refroidi et on alimente l'entrée d'air frais avec l'air sortant de la roue de turbine. On a schématisé à la figure 1 du dessin annexé un dispositif d'alimentation en air frais de la cabine d'un aéronef, d'un type connu. Comme représenté, ce dispositif i comprend essentiellement un prééchangeur de chaleur 2, un échangeur de chaleur 3 et un turbocompresseur 4 constitué d'une roue de turbine 5 et d'un compresseur 6. Le pré-échangeur 2 est connecté à une entrée d'air 7 prélevé sur un étage du compresseur d'un moteur à réaction propulsant l'aéronef, quand celuici vole à sa vitesse de croisière. Cet air, dont la température atteint couramment plusieurs centaines de degrés, est refroidi dans le prééchangeur 2 par un balayage d'air prélevé à l'extérieur de l'aéronef par une bouche d'air 8 alimentant une chambre de l'échangeur, l'air de balayage étant évacué par la sortie 9 de cette chambre. L'air venu du moteur et sortant du pré-échangeur 2 est suffisamment refroidi pour pouvoir passer dans le compresseur 6, couramment réalisé en alliage léger. L'air comprimé, et donc réchauffé, qui sort du compresseur 6 est refroidi de nouveau dans l'échangeur 3, par le même balayage d'air extérieur circulant entre la bouche 8 et la sortie 9, de manière à revenir sensiblement à la température de l'air de balayage. L'air sortant de l'échangeur 3 passe enfin dans la roue de turbine 5 qui anime le compresseur 6. La détente de l'air dans cette roue de turbine fait tomber sa température à une valeur relativement basse, de l'ordre de 3 C par exemple, propre à alimenter l'entrée 10 d'air frais de la cabine 11 de l'aéronef (partiellement schématisée à la figure 1) en évitant tout risque de givrage des conduits dans lesquels il passe. L'air frais à 3 C délivré à la cabine se mélange à l'air contenu dans celle-ci pour le rafraîchir. Une ou plusieurs soupapes 12 formant partie d'un système de pressurisation de la cabine 11 régule la pression d'air en cabine en laissant échapper une fraction de l'air de la cabine à l'extérieur de celle-ci. Une fraction de la consommation en carburant du moteur à réaction sur lequel on prélève l'air qui alimente le dispositif décrit ci-dessus est évidemment attachée à ce prélèvement. Par ailleurs, l'écart AT entre la température de l'air entrant dans la cabine (3 C environ) et la température de l'air en cabine (20 C environ) soit AT = 17 environ, est relativement faible et oblige à dimensionner le dispositif de manière qu'il puisse fournir à la cabine un débit d'air refroidi relativement important qui grève l'encombrement, le poids et, par conséquent, le coût de fabrication de ce dispositif. La présente invention a précisément pour but de fournir un procédé d'alimentation d'une entrée d'air frais de la cabine d'un aéronef propre à être mis en oeuvre avec un dispositif apportant une réduction de la consommation en carburant du moteur sur lequel ce dispositif prélève de l'air comprimé, le dispositif étant en outre plus léger, moins encombrant et de fabrication moins coûteuse que le dispositif de la technique antérieure décrit en préambule de la présente description. On atteint ce but de la présente invention avec un procédé d'alimentation d'une entrée d'air frais de la cabine d'un aéronef propulsé par au moins un moteur à réaction, du type décrit en préambule de la présente description, ce procédé étant remarquable en ce qu'on prélève de l'énergie mécanique dans de l'air sortant de la cabine de l'aéronef et en ce qu'on injecte ladite énergie mécanique dans le turbocompresseur. Suivant une autre caractéristique du procédé selon l'invention, on prélève en outre de l'énergie de refroidissement dans l'air sortant de la cabine de l'aéronef et on injecte l'énergie ainsi prélevée dans l'air refroidi sortant de l'échangeur placé en aval du compresseur. Comme on le verra plus loin en détail, ce procédé permet de délivrer à la cabine un air à plus basse température et pouvant donc présenter un plus faible débit que celui délivré par le dispositif de la figure 1, au bénéfice de la consommation en carburant du moteur à réaction sur lequel l'air est prélevé, et au bénéfice du poids, de l'encombrement et donc du coût de fabrication du dispositif conçu pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention. Ce dispositif, qui comprend une entrée d'air venu du moteur, un turbocompresseur comprenant une roue de turbine et un compresseur alimenté par l'air venu du moteur, un échangeur alimenté par l'air sortant dudit compresseur pour refroidir ledit air à l'aide d'un courant d'air extérieur à l'aéronef, la sortie d'air refroidi de l'échangeur alimentant la roue de turbine, est remarquable en ce que le turbocompresseur comprend en outre une deuxième roue de turbine alimentée par de l'air extrait de la cabine de l'aéronef. Suivant une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, celuici comprend en outre des moyens -4 alimentés par l'air extrait de la cabine pour refroidir l'air venu du moteur et sortant de l'échangeur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma d'un dispositif d'alimentation en air frais de la cabine d'un aéronef propulsé par un moteur à réaction, connu de la technique antérieure et décrit en préambule de la présente description, et - la figure 2 est un schéma d'un dispositif du même type, modifié pour assurer la mise en oeuvre du procédé suivant la présente invention. On se réfère à la figure 2 du dessin annexé o des repères numériques identiques à des repères utilisés sur la figure 1 désignent des organes ou appareils identiques ou analogues. C'est ainsi que l'on retrouve, dans le dispositif 1' suivant l'invention, les organes ou appareils référencés 2 à 11 sur la figure 1. Le dispositif 1' suivant l'invention se distingue ainsi de celui de la figure 1 essentiellement en ce qu'il comprend des moyens propres à prélever de l'énergie mécanique et/ou de l'énergie de refroidissement dans l'air sortant de la cabine à travers une soupape de pressurisation 12' de cette cabine. On remarquera à cet égard que, dans le dispositif de la technique antérieure décrit ci-dessus en liaison avec la figure 1, l'air qui sort de la cabine par la soupape 12 perd toute son énergie à l'extérieur de cette cabine, sans que cette énergie fasse l'objet d'une quelconque utilisation. Suivant l'invention, au contraire, on récupère au moins une partie sensible de cette énergie pour faire fonctionner le dispositif 1'. Pour ce faire, l'air qui sort de la cabine par la soupape 12' est conduit par une tubulure 13 dans un deuxième échangeur de chaleur 14 o il échange de la chaleur avec l'air qui sort de l'échangeur 3, passe ensuite dans une deuxième roue de turbine 15 du turbocompresseur 4, couplée à la première roue 5, o il se détend avant de traverser un troisième échangeur 16 o il échange de nouveau de la chaleur avec l'air qui a traversé le prééchangeur 2 et les échangeurs 3 et 14, dans cet ordre. Cet air s'échappe enfin vers l'extérieur ou dans un autre compartiment de l'aéronef tel qu'une soute exigeant, elle aussi, un certain conditionnement d'air. C'est ainsi que l'air sortant de l'échangeur 3, à une température voisine de celle de l'air avalé par la bouche 8, est refroidi dans l'échangeur 14 par l'air venu de la cabine, à 20 C par exemple, alors que ce dernier est lui-même réchauffé avant de pénétrer dans la roue de turbine 15. Ce réchauffement permet avantageusement de relever la puissance mécanique délivrée par la roue de turbine 15 au compresseur 6 du turbocompresseur 4, pour un même taux de détente de l'air dans la roue de turbine 15. La détente de l'air venu de la cabine 11 dans la roue de turbine 15 a pour effet de le refroidir. L'air ainsi refroidi alimente le troisième échangeur 16 pour y refroidir encore l'air venu du moteur, qui vient de subir un refroidissement dans le deuxième échangeur 14. A la sortie de l'échangeur 16, l'air venu du moteur passe dans la roue de turbine 5 o il se détend en délivrant de l'énergie mécanique au compresseur 6, énergie qui s'additionne à celle délivrée par la roue de turbine 15. Pendant cette détente, la température de l'air venu du moteur tombe encore, cet air alimentant finalement l'entrée 10 d'air frais de la cabine 11. L'air venu de la cabine qui traverse finalement l'échangeur 16 s'y réchauffe pour assurer le conditionnement d'air de la soute évoquée cidessus, par exemple. Il peut aussi être simplement évacué dans l'espace. Il apparaît maintenant que l'air venu de la cabine délivre de l'énergie mécanique au turbocompresseur 4 et de l'énergie de refroidissement (des frigories) à l'air destiné à alimenter l'entrée d'air frais de la cabine. L'énergie ainsi récupérée sur celle de l'air sortant de la cabine, qui se dissipait auparavant sans fruit dans l'espace entourant l'aéronef, permet de réduire le prélèvement d'énergie opéré sur le moteur à réaction de l'aéronef, au bénéfice de la consommation en carburant de celui-ci, ceci conformément à l'un des buts poursuivis par la présente invention. A titre d'exemple illustratif et non limitatif seulement, dans le cas d'un vol "dimensionnant" à vitesse supersonique maximale, à l'altitude maximale, par jour chaud, avec une buse d'entrée d'air 8 de ventilation des échangeurs 2 et 3 placé dans des pièges à couche limite du moteur délivrant de l'air à 109 C environ, la température et la pression de l'air délivré par le moteur, depuis la sortie de celui-ci jusqu'à l'entrée 10 en cabine, suivent des évolutions du type décrit par le tableau suivant: Pression T mb C Sortie moteur 2 400 435 Sortie pré- échangeur 2 1 990 129 Sortie compresseur 5 5 641 310 Sortie échangeur 3 5 521 119 Sortie échangeur 14 5 451 45 Sortie échangeur 16 5 401 19 Entrée cabine 10 753 79 Il ressort de l'examen de ce tableau que le dispositif suivant l'invention est capable de fournir à la cabine de l'air à - 79 C environ, alors que le dispositif de la technique antérieure décrit en liaison avec la figure 1 ne peut fournir que de l'air à 3 C environ. Cet air de refroidissement à -79 C présente un écart de température d'environ 100 avec l'air (à 20 ) de la cabine, alors l'écart correspondant du dispositif de la figure 1 est de 20 - 3 = 17 environ. Sa capacité à refroidir l'air de cabine est ainsi environ 6 fois supérieure à celle de l'air de refroidissement fourni par le dispositif de la figure 1. Il s'ensuit que le débit d'air de refroidissement peut être très fortement diminué, sensiblement dans le même rapport, ce qui permet de réduire l'encombrement, le poids et le coût de fabrication du dispositif suivant l'invention, tout comme la consommation de carburant supplémentaire attachée à la fourniture d'air au dispositif, par le compresseur du moteur, comme on l'a vu plus haut. Il est clair que le dispositif suivant l'invention exige une modification du tarage des soupapes 12' qui font partie du système de pressurisation de la cabine. Auparavant, la perte de charge dans ces soupapes pouvait sans inconvénient atteindre environ 700 mb, soit la différence entre la pression en cabine et la pression extérieure. Suivant l'invention, ce tarage doit être réduit au minimum, soit à 50 mb environ par exemple, de manière que l'air sortant de la cabine présente une pression aussi élevée que possible pour que le dispositif suivant l'invention puisse tirer de cet air une énergie mécanique maximale. La régulation de la pression en cabine, sur une excursion de 50 mb seulement, permet d'améliorer en outre la précision de cette pression. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi qu'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en extrayant seulement de l'énergie mécanique ou seulement de l'énergie de refroidissement, de l'air sortant de la cabine, au profit du dispositif suivant l'invention. C'est ainsi encore que, si l'invention est décrite ci-dessus dans l'environnement d'un aéronef volant à des vitesses de croisière supersoniques, l'invention est également applicable à tout aéronef, notamment et à titre d'exemple seulement, à de gros porteurs subsoniques conçus pour transporter plusieurs centaines de passagers dont le fort rayonnement thermique cumulé exige un dispositif de rafraîchissement de l'air de cabine de forte capacité. REVENDICATIONS 1. Procédé d'alimentation d'une entrée (10) d'air frais de la cabine (11) d'un aéronef propulsé par au moins un moteur à réaction, suivant lequel on comprime de l'air prélevé sur ledit moteur dans un turbocompresseur (4) , on refroidit l'air ainsi comprimé dans un échangeur de chaleur (3) traversé par de l'air extérieur à l'aéronef, on alimente une roue de turbine (5) dudit turbocompresseur (4) avec l'air ainsi refroidi et on alimente ladite entrée d'air frais (10) avec l'air sortant de ladite roue de turbine (5), caractérisé en ce qu'on prélève de l'énergie mécanique dans de l'air sortant de ladite cabine (11) de l'aéronef et en ce qu'on injecte ladite énergie mécanique dans ledit turbocompresseur (4). 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prélève en outre de l'énergie de refroidissement dans ledit air sortant de la cabine (11) et en ce qu'on injecte ladite énergie de refroidissement dans ledit air refroidi sortant dudit échangeur (3). 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1 ou 2, comprenant une entrée (7) d'air venu du moteur, un turbocompresseur (4) comprenant une roue de turbine (5) et un compresseur alimenté par l'air venu du moteur, un échangeur (3) alimenté par l'air sortant dudit compresseur (5) pour refroidir ledit air à l'aide d'un courant d'air extérieur à l'aéronef, la sortie d'air refroidi de l'échangeur (3) alimentant ladite roue de turbine (5), caractérisé en ce que ledit turbocompresseur (4) comprend en outre une deuxième roue de turbine (15), alimentée par de l'air extrait de la cabine (11). 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (14,15) alimentés par ledit air extrait de la cabine (11), pour refroidir l'air venu du moteur et sortant dudit échangeur (3). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens (14,15) comprennent un deuxième échangeur de chaleur (14) pour réchauffer l'air venu de la cabine et délivré à ladite deuxième roue de turbine (15) et pour refroidir l'air venu du moteur et sortant dudit échangeur de chaleur (3). 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdits moyens (14,15) comprennent un troisième échangeur de chaleur (16) pour réchauffer l'air sortant de ladite deuxième roue de turbine (15) et pour refroidir l'air venu du moteur. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que les deuxièmes (14) et troisième (16) échangeurs de chaleur sont traversés dans cet ordre par l'air venu du moteur. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un pré-échangeur de chaleur (2) directement connecté à l'entrée (7) d'air venu du moteur pour refroidir cet air, par un balayage d'air extérieur à l'aéronef. 9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 8,caractérisé en ce que l'air de cabine qui l'alimente sort de ladite cabine (11) à travers une soupape (12') formant partie du système de pressurisation de la cabine (11). 10. Aéronef supersonique équipé d'un dispositif d'alimentation en air frais conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 9.