Brevet FR2851295A1 — publié le 20040820

SYSTEME DE PRELEVEMENT D'AIR D'UN TURBOREACTEUR DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un système de prélèvement d'air d'un turboréacteur d'aviation. De l'air comprimé est toujours nécessaire dans les aéronefs pour mettre sous pression la cabine ou d'autres volumes ou pour des actions de dégivrage. 10 Il est soutiré des turboréacteurs avant d'atteindre les chambres de combustion, alors que les compresseurs l'ont porté à une pression suffisante pour les applications envisagées. Une première difficulté que ce procédé 15 occasionne a pour origine les différents régimes du moteur, qui produisent des variations importantes de la température et de la pression de l'air soutiré et contraignent à dédoubler le soutirage en disposant deux conduits de prélèvement séparés qui aboutissent à des 20 points de piquage respectifs du turboréacteur, et se joignent à leurs extrémités opposées. L'air soutiré provient, suivant la phase du vol, exclusivement d'un des deux prélèvements. Chacun des conduits de prélèvement comprend normalement, avant leur jonction, 25 une vanne d'arrêt, et après leur jonction, une vanne de réglage de pression et une vanne de réglage de débit de l'écoulement d'air parcourant le conduit afin de réaliser l'ajustement d'état de l'air. Les compresseurs sont généralement à calage 30 variable, c'est-à-dire qu'ils comprennent des étages d'aubes de stator qu'il est possible de faire pivoter SP 21708/JCI pour ajuster le redressement de l'air selon le régime du réacteur. Ces étages sont situés à l'entrée des compresseurs. Comme leur réglage est délicat, on exclut de placer les points de piquage à leur endroit: les 5 systèmes usuels comprennent donc un point de piquage à la sortie du compresseur à haute pression et un second point de piquage au milieu de ce compresseur, derrière les aubes pivotantes. Un document de l'art antérieur qui reprend 10 certaines de ces considérations, tout en donnant d'autres détails de construction, est le brevet américain 5 137 230. Certains inconvénients sérieux subsistent avec un tel système. On constate ainsi que les besoins 15 en air, très différents d'après les moments du vol, perturbent le bon fonctionnement du compresseur, d'autant plus que les débits prélevés sont importants en pratique et peuvent atteindre près de 15% dans certaines circonstances. L'objet de l'invention est d'améliorer les systèmes de prélèvement d'air en remplaçant ceux qu'on connaît déjà par un qui soit plus économique aussi bien par sa constitution que par une réduction des pertes d'énergie dont il sera la cause. Un autre avantage de 25 ce système est que son réglage est facile. Une de ses caractéristiques est que le piquage de prélèvement le plus en avant, par lequel entre le débit d'air à la pression la moins élevée, est déplacé à l'entrée du compresseur à haute pression, c'est-à-dire entre lui et 30 le compresseur à basse pression. En effet, c'est surtout le prélèvement d'air au milieu du compresseur SP 21708/JCI qui perturbe son bon fonctionnement en produisant une rupture du débit traversant et des risques de pompage, alors que le prélèvement situé à la sortie du compresseur n'a pas cet effet et demeure inchangé dans l'invention. L'air comprimé soutiré à l'entrée du compresseur à haute pression est moins comprimé que s'il l'avait été dans le compresseur; mais sa pression reste suffisante pour qu'il satisfasse aux besoins de 10 mise sous pression et de dégivrage. Et la différence de pression plus grande entre les deux débits d'air permet - ceci est une deuxième caractéristique de l'invention - de remplacer les vannes de réglage de pression usuelles par un turbocompresseur o les pressions des 15 deux débits soutirés s'égalisent, le débit d'air à la sortie du compresseur à haute pression traversant la turbine du turbocompresseur et l'entraînant en cédant une partie de son énergie à l'autre débit, qui traverse le compresseur. L'égalisation des pressions se fait 20 automatiquement, sans réglage extérieur, et avec des pertes beaucoup plus réduites qu'avec des vannes usuelles, par pilotage des deux débits admis. Un autre avantage de la solution retenue est que l'air prélevé par le piquage entre les 25 compresseurs est aussi plus frais qu'après avoir traversé une partie du compresseur à haute pression, de même que le mélange réalisé ensuite. Il était souvent nécessaire de compléter le système antérieur par un troisième conduit de soutirage qui aboutissait dans la 30 soufflante du turboréacteur et y prélevait donc de l'air pour rafraîchir celui qui était prélevé des SP 21708/JCI compresseurs, ce qui gâchait de l'énergie. Il est évident que ce nouveau soutirage abaisse beaucoup le rendement du turboréacteur; il devient complètement inutile dans l'invention, o on peut au contraire 5 trouver parfois que le mélange n'est plus assez chaud, par exemple pour le dégivrage. On remédiera à ce genre de difficulté en faisant passer le mélange, ou une portion de celui-ci, devant des portions chaudes du turboréacteur qui serviront alors de radiateur de 10 chaleur sans perte d'énergie mécanique. Dans les dessins, la figure 1 illustre une réalisation de l'invention, et la figure 2 certains résultats d'essais. L'invention sera maintenant décrite en 15 référence à la figure 1. Un turboréacteur partiellement représenté comprend une soufflante 1, un compresseur à basse pression 2 et un compresseur à haute pression 3. Deux points de piquage d'air comprimé sont disposés respectivement entre les deux compresseurs 2 et 3 et à 20 la sortie du compresseur à haute pression 3 et portent les références 4 et 5. Deux conduits de prélèvement 6 et 7 s'y abouchent. Les débits d'air comprimé qui les traversent sont ajustés par des vannes 8 et 9 réglées par un calculateur attaché à l'avion ou au moteur. Les 25 conduits de prélèvement 6 et 7 sont encore affectés d'un turbocompresseur 10 comprenant une turbine 11 aménagée sur le conduit de prélèvement 6 menant au point de piquage 4 à la sortie du compresseur à haute pression 2, un compresseur 12 aménagé sur l'autre 30 conduit de prélèvement 7, et un arbre 13 reliant en rotation la turbine 11 au compresseur 12. Les pressions SP 21708/JCI dans les conduits 6 et 7 s'égalisent par la traversée du turbocompresseur 10, ce qui permet de mélanger les deux débits d'air à une jonction des conduits de prélèvement 6 et 7 qui est occupée par un mélangeur 14 5 pouvant comprendre différents dispositifs de création de turbulences qui favorisent le mélange des débits. Le mélange circule ensuite dans un conduit de service 15 qui peut bifurquer vers différents endroits o l'air comprimé sera requis; si le mélange risque d'être trop 10 frais pour opérer un dégivrage, on préconise de faire passer les branches telles que 16 du conduit servant au dégivrage devant un endroit chaud 17 de l'aéronef, un moyen de chauffage idoine ou toute source de chaleur, pour obtenir l'échauffement souhaité. Pour résumer, les avantages principaux de l'invention consistent en de meilleurs fonctionnements du compresseur à haute pression 3 grâce à la suppression du prélèvement intermédiaire, et aussi du compresseur à basse pression 2 grâce au point de 20 piquage 4 à sa sortie; une perte de charge moins importante dans les conduits de prélèvement 6 et 7 grâce à la présence d'une seule vanne dans chacun d'eux; l'absence de prélèvement de la soufflante 1; corrélativement, une poussée plus forte disponible 25 grâce à ces meilleurs fonctionnements et aussi parce que la marge de pompage requise pour le compresseur a haute pression 36 peut être réduite; et un gain énergétique global car le mélange soutiré est à une température et une pression plus proches de celles 30 qu'on souhaite. SP 21708/JCI L'utilité de l'invention est très marquée au décollage, o une forte poussée est souhaitée mais o l'air comprimé plus fortement (surtout au milieu du compresseur à haute pression 3) est aussi plus chaud, 5 alors qu'il n'y a pas de nécessité de dégivrer à ce moment, ce qui impose un prélèvement plus important de la soufflante 1 dans la conception antérieure: l'état o le turboréacteur travaillait le plus était donc celui o son rendement était le plus affaibli par le 10 prélèvement, ce qui obligeait soit à le surcharger et à user plus vite le moteur par des températures excesives, soit à renoncer à une partie de sa puissance, soit à renoncer à une partie du débit d'air et des services offerts par le prélèvement. En régime de croisière, l'invention est encore avantageuse: puisqu'une proportion plus grande d'air à haute pression est soutirée qu'au décollage, le prélèvement à plus basse pression que dans la conception connue reste préférable en général. Enfin, en régime de ralenti utilisé pour la descente, on n'utilise d'ordinaire que le débit à haute pression. L'invention peut se révéler désavantageuse à cet instant à cause de la perte de charge du turbocompresseur 10, qui devient relativement 25 importante quand les débits sont très différents; toutefois il est fréquent qu'un régime supérieur au ralenti soit choisi alors, pour lutter contre le givre ou l'ingestion de grêle, ce qui empêche cet aspect désavantageux de l'invention d'apparaître. Cet aspect 30 est plus que contrebalancé par les phases de décollage et montée car on compare un grand gain sur une phase SP 21708/JCI très énergétique et une petite perte sur une phase à faible énergie. La figure 2 sera brièvement expliquée. Elle illustre trois courbes donnant le rapport des débits 5 d'air prélevés à l'entrée et à la sortie du compresseur à haute pression 3 (ordonnées) en fonction du régime réduit du compresseur à basse pression (abscises, en pourcentage), soit le rapport régime mécanique 1_o e est la régime de référence | j228,15 température, en degrés kelvin, à l'entrée du compresseur basse pression. La courbe aux losanges (0) représente un vol à 37.000 pieds (= 12 km), à un nombre de Mach de 0,8 et à une pression de sortie de 43 psig (= 30 kPa). La courbe aux carrés (E) représente un vol à une pression de sortie de 27 psig ( 26 kPa),les autres paramètres étant inchangés. La courbe aux triangles (A) représente un décollage au niveau de la mer, à un nombre de Mach de 20 0,25 et à une pression de sortie de 37 psig (= 19 kPa). Elle montre l'intérêt de l'invention pour cette situation, l'air prélevé venant surtout du premier piquage 4. Les deux premières courbes illustrent des régimes de croisière qui montrent que l'invention reste 25 surtout utile pour des pressurisations plus faibles; mais un gain de rendement notable à été constaté par rapport à la conception ordinaire malgré la faible proportion d'air prélevé. SP 21708/JCI REVEND I CATI ONS 1) Système de prélèvement d'air d'un turboréacteur comprenant deux conduits de prélèvement 5 (6, 7) s'étendant entre des points de piquage (4, 5) du turboréacteur et une jonction, des vannes de réglage de débit (8, 9) sur les conduits de prélèvement, des moyens de réglage de pression (10) sur les conduits de prélèvement, et des conduits de service (16) après la 10 jonction, un premier des points de piquage (4) étant à une sortie d'un compresseur à haute pression (3), caractérisé en ce que le second des points de piquage (5) est à une entrée du compresseur à haute pression (3), et les moyens de réglage de pression consistent en 15 un turbocompresseur (10) comprenant un compresseur (12) situé dans le conduit de prélèvement qui aboutit au second point de piquage et une turbine (11) située dans le conduit de prélèvement qui aboutit au premier point de piquage et associée en mouvement au compresseur du 20 turbocompresseur. 2) Système de prélèvement selon la revendication 1, caractérisé en ce que certains des conduits de service (16) passent devant une source de chauffage (17). 3) Système de prélèvement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de moyen de prélèvement d'air de rafraîchissement. SP 21708/JCI