Brevet FR2911580A1 — publié le 20080725

La présente invention a pour objet un système de conditionnement d'air pour un aéronef pourvu d'au moins un turbomoteur. On sait que, à bord des aéronefs, l'air destiné au conditionnement des zones habitées, comme par exemple la cabine des passagers et la ca- bine de pilotage, est prélevé sur le flux chaud des turbomoteurs. Ce flux chaud présentant une température très élevée (pouvant dépasser 500 C) et une très forte pression (jusqu'à 20 bars ou 2.106 Pa), on fait subir à l'air prélevé des abaissements de température et de pression jusqu'à ce qu'il soit utilisable pour le conditionnement d'air, c'est-à-dire qu'il présente une température de l'ordre de la vingtaine de degrés Celsius et une pression de l'ordre de 0,7 bar (0,7.105 Pa). Puisque le flux chaud du turbomoteur résulte d'une forte compression (rapport de compression de l'ordre de 30) et d'une forte élévation de température de l'air ambiant absorbé par ledit turbomoteur, il apparaît donc que, à partir de cet air ambiant, l'air de conditionnement est obtenu par de fortes compression et élévation de température, suivies par de forts abaissements de température et de pression. Une telle obtention d'air de conditionnement est donc coûteuse en énergie. On estime en général que la production d'air de conditionnement par prélèvement sur le flux chaud des turbomoteurs représente environ 2% de la consommation en combustible, compte tenu du fait que le conditionnement d'air doit être assuré dans toutes les situations dans lesquelles se trouve l'aéronef, aussi bien au sol qu'en vol. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient 25 et de perfectionner les systèmes de conditionnement d'air connus pour aéronef, afin d'abaisser fortement leur consommation de combustible. A cette fin, selon l'invention, le système de conditionnement d'air pour un aéronef pourvu d'au moins un turbomoteur, ledit système comportant : -des moyens de prélèvement d'air chaud sur ledit turbomoteur ; -- des moyens de transformation dudit air chaud ainsi prélevé en air conditionné ; et - des moyens de distribution dudit air conditionné dans au moins une cabine dudit aéronef, est remarquable en ce qu'il comporte : -une unité auxiliaire de conditionnement d'air apte à prélever de l'air frais à l'extérieur dudit aéronef et à engendrer de l'air conditionné à partir dudit air frais ; des moyens de commutation permettant d'alimenter lesdits moyens de distribution : • avec l'air conditionné provenant de ladite unité auxiliaire de conditionnement, lorsque ledit aéronef est dans une phase de vol pour laquelle il est entouré d'air sec à basse pression, non susceptible d'engendrer du givre, et • avec l'air conditionné provenant desdits moyens de transformation 20 d'air chaud dans toutes les autres situations dans lesquelles peut se trouver ledit aéronef ; et - des moyens permettant d'interrompre le prélèvement d'air chaud sur le turbomoteur par lesdits moyens de prélèvement d'air chaud lorsque lesdits moyens de distribution d'air conditionné sont alimentés par ladite 25 unité auxiliaire. Ainsi, lorsque l'air extérieur à l'aéronef est sec, à basse pression et non susceptible d'engendrer du givre, c'est-à-dire lorsque ledit aéronef vole à une grande altitude, en vol de croisière ou proche de la croisière, 3 l'air conditionné est produit par l'unité auxiliaire de conditionnement et non pas dérivé du moteur. On remarquera que, puisqu'en vol de croisière la pression totale de l'air ambiant est de l'ordre de 0, 3 à 0,4 bar (de 0,3.105 à 0,4.105 Pa), il suffit de compresser ledit air ambiant avec un taux de compression de l'ordre de 2 pour obtenir la pression d'environ 0,75 bar (0,75.105 Pa) nécessaire à l'air de conditionnement. De plus, puisque ledit air ambiant est sec, sans possibilité d'engendrer du givre, une telle compression peut être obtenue par un simple compresseur. Si l'élévation de température résul- 1 o tant de la compression de l'air ambiant par le compresseur est insuffisante pour le confort des personnes se trouvant dans ladite cabine de l'aéronef, ladite unité auxiliaire de conditionnement d'air peut comporter, en plus dudit compresseur, des moyens pour ajuster la température de l'air sortant dudit compresseur. 15 Le calcul et l'expérimentation ont montré qu'un compresseur de quelques dizaines de kilowatts était suffisant pour assurer la production d'air de conditionnement, en coopération éventuelle avec lesdits moyens d'ajustement de température, en vol de croisière. On comprendra aisément que la mise en oeuvre de la présente in- 20 vention avec un compresseur peu gourmand en énergie permet de réaliser des économies d'énergie importantes, puisque selon la technique antérieure, on aurait, pour obtenir de l'air de conditionnement en croisière : tout d'abord, comprimé et chauffé fortement dans le moteur de l'aéro- nef l'air ambiant à 0,3 ou 0,4 bar (0,3 ou 0,4.105 Pa) pour engendrer le 25 flux chaud sous forte pression et à température élevée ; puis, réduit fortement cette forte pression à environ 0,75 bar (0,75.105 Pa) et cette température élevée à environ 20 C, pour obtenir l'air de conditionnement. On remarquera de plus que ces économies d'énergie sont d'autant plus importantes que la croisière, ou le vol au voisinage de l'altitude de croisière, correspond à la phase la plus longue de l'utilisation d'un aéronef. La source d'énergie pour alimenter ledit compresseur et les éven-tuels moyens d'ajustement de température est de préférence électrique ou pneumatique. Dans le cas usuel où ledit système de conditionnement d'air comporte de plus des moyens de prélèvement d'air froid sur le flux froid dudit turbomoteur, ledit air froid ainsi prélevé étant adressé auxdits moyens de 1 0 transformation d'air chaud et utilisé par ces derniers pour transformer l'air chaud prélevé sur le turbomoteur en air conditionné, il est avantageux qu'il comporte des moyens permettant d'interrompre le prélèvement d'air froid sur ledit turbomoteur par lesdits moyens de prélèvement d'air froid, lors-que lesdits moyens de distribution d'air conditionné sont alimentés par 15 ladite unité auxiliaire. On évite ainsi tout prélèvement d'air sur le flux froid du moteur en croisière et, donc, les perturbations dues à un tel prélèvement. Ainsi, le système de conditionnement d'air pour aéronef conforme à la présente invention permet de réduire la consommation de combustible 20 en croisière et en vol proche de la croisière. De plus, il est aisé à installer, puisque l'unité auxiliaire est simplement juxtaposée au dispositif principal usuel constitué desdits moyens de prélèvement d'air chaud, desdits moyens de transformation et desdits moyens de distribution, sans remettre en cause ledit dispositif principal. L'unité auxiliaire peut être aisément 25 optimisée puisqu'elle est prévue pour ne fonctionner que dans une phase de vol particulière et, en outre, dans une certaine mesure, elle peut servir d'unité redondante audit dispositif principal, ce qui allège les contraintes de dimensionnement de ce dernier. La figure du dessin annexé fera bien comprendre comment l'inven- Lion peut être réalisée. Cette figure unique est un schéma synoptique du système de conditionnement d'air conforme à la présente invention. Sur cette figure, on a représenté schématiquement, par une ligne en traits mixtes, le fuselage 1 d'un aéronef (non autrement représenté) 5 comportant au moins un turbomoteur 2 à double flux, dont l'alimentation en air ambiant est symbolisé par une flèche. A l'intérieur du fuselage 1, on a de plus indiqué schématiquement, par une ligne en trait plein, une cabine 3 de l'aéronef, cette cabine 3 pouvant représenter la cabine des passagers, la cabine de pilotage ou les deux cabines. Le système, conforme à la présente invention et logé dans le fuselage 1, comporte un dispositif de conditionnement d'air principal comportant, de façon connue, un prérefroidisseur 4 et un conditionneur 5. Le prérefroidisseur 4 est apte à recevoir, d'une part, de l'air chaud à température et pression élevées par une canalisation 6 prélevant ce dernier sur le flux chaud du turbomoteur 2 et, d'aune part, de l'air froid par une canalisation 7 prélevant ce dernier sur le flux froid dudit turbomoteur 2. Sur la canalisation 6 sont montées une valve de régulation de pression 8 et une vanne 9, alors qu'une vanne 10 est montée sur la canalisation 7. Ainsi, lorsque les vannes 9 et 10 sont en position ouverte, le pré- refroidisseur 4, du type échangeur de chaleur, peut, à partir de l'air chaud (dont la pression est déjà abaissée par la valve 8) et de l'air froid qu'il reçoit respectivement par les canalisations 6 et 7, engendrer un courant d'air froid réchauffé qu'il évacue à l'extérieur de l'aéronef par une conduite 11, ainsi qu'un courant d'air chaud prérefroidi et à pression abaissée qu'il adresse au conditionneur 5 par une conduite 12. Le conditionneur 5, comprenant également un échangeur de chaleur, achève le refroidissement et la régulation de la pression dudit courant d'air chaud prérefroidi à l'aide d'air frais prélevé à l'extérieur de l'aéronef par une conduite 13 et évacue, à l'extérieur dudit aéronef, de l'air frais réchauffé par une conduite 14. A la sortie 15 du conditionneur 5, de l'air conditionné en température et en pression peut être disponible pour conditionner la cabine 3. A l'intérieur du fuselage 1 est de plus prévue une unité auxiliaire de conditionnement d'air comportant un compresseur 16 et des moyens 17 d'ajustement de température (réchauffeur et/ou refroidisseur), alimentés en énergie par une source électrique ou pneumatique 18, par l'intermédiaire d'un interrupteur commanciable 19. Le compresseur 16 peut prélever de l'air à l'extérieur du fuselage 1 par une conduite 20, compri- mer l'air prélevé, puis adresser l'air ainsi comprimé aux moyens d'ajustement de température 17, par une conduite 21. A la sortie 22 desdits moyens 17 peut donc être disponible de l'air conditionné en température et en pression par le compresseur 16 et lesdits moyens d'ajustement de température 17. A l'intérieur de la cabine 3, qui est pourvue d'une conduite d'ex-traction d'air vicié 23 la reliant à l'extérieur, est agencé un dispositif de distribution d'air conditionné 24 alimenté en air conditionné par la sortie 15 du conditionneur 5 ou par la sortie 22 desdits moyens d'ajustement de température 17, suivant la position d'une vanne de commutation 25, in- terposée entre ledit dispositif de distribution 24, d'une part, et les sorties 15 et 22, d'autre part. Le fonctionnement du système de conditionnement d'air conforme à la présente invention est le suivant: : A. Lorsque l'aéronef est dans une phase de vol pour laquelle il est entouré 25 d'air sec à basse pression, non susceptible d'engendrer du givre, c'est- à-dire en vol de croisière ou en vol proche de la croisière, les vannes 9, 10, 25 et l'interrupteur 19 sont clans leur position représentée en poin- tillés sur la figure. Par suite : les vannes 9 et 10 sont fermées et aucun prélèvement d'air sur les flux chaud et froid du moteur 2 n'a lieu. A la sortie 15 du conditionneur 5 n'apparaît donc aucun air conditionné ; l'interrupteur 19 est fermé et II'unité 16, 17 est alimentée en énergie par la source 18 et est donc en fonctionnement, de sorte que de l'air conditionné apparaît à la sortie 22 desdits moyens d'ajustement de température 17 ; et la vanne 25 met en communication ladite sortie 22 avec le dispositif de distribution 24, de sorte que la cabine 3 est conditionnée par l'unité 16, 17. B. Dans toutes les situations où se trouve l'aéronef, autres que la phase de vol spécifiée sous A, les vannes 9, 10 et 25 et l'interrupteur 19 sont dans leur position représentée en trait plein sur la figure. Par suite : û l'interrupteur 19 est ouvert et II'unité 16, 17 n'est pas en fonctionne-ment, car non alimentée par la source 18. A la sortie 22 des moyens d'ajustement de température 17 n'apparaît donc aucun air conditionné ; û les vannes 9 et 10 sont ouvertes, de sorte que de l'air est prélevé sur les flux chaud et froid du moteur 2 et que de l'air conditionné appa- raît à la sortie 15 du conditionneur 5 ; et - la vanne 25 met en communication ladite sortie 15 avec le dispositif de distribution 24, de sorte que la cabine 3 est conditionnée de façon usuelle à partir des prélèvements d'air sur les flux du moteur 2. REVENDICATIONS 1. Système de conditionnement d'air pour un aéronef pourvu d'au moins un turbomoteur (2), ledit système comportant : - des moyens (6, 8, 9) de prélèvement d'air chaud sur ledit turbomoteur 5 (2) ; - des moyens (4, 5) de transformation dudit air chaud ainsi prélevé en air conditionné ; et -des moyens (24) de distribution cludit air conditionné dans au moins une cabine (3) dudit aéronef, 10 caractérisé en ce qu'il comporte : -- une unité auxiliaire de conditionnement d'air (16 à 22) apte à prélever de l'air frais à l'extérieur dudit aéronef et à engendrer de l'air conditionné à partir dudit air frais ; des moyens de commutation (25) permettant d'alimenter lesdits 15 moyens de distribution (24) : avec l'air conditionné provenant de ladite unité auxiliaire de conditionnement (16 à 22), lorsque ledit aéronef est dans une phase de vol pour laquelle il est entouré d'air sec à basse pression, non susceptible d'engendrer du givre, et 20 avec l'air conditionné provenant desdits moyens de transformation d'air chaud (4, 5) dans toutes les autres situations dans lesquelles peut se trouver ledit aéronef ; et - des moyens (9) permettant d'interrompre le prélèvement d'air chaud sur le turbomoteur (2) par lesdits moyens de prélèvement d'air chaud (6, 8, 25 9) lorsque lesdits moyens de distribution d'air conditionné (24) sont alimentés par ladite unité auxiliaire. 2. Système de conditionnement d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite unité auxiliaire de conditionnement comporte un compresseur (16). 9 3. Système de conditionnement d'air selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite unité auxiliaire de conditionnement comporte des moyens (17) pour ajuster la température de l'air comprimé sortant du-dit compresseur (16). 4. Système de conditionnement d'air selon l'une des revendicatüons 1 à 3, comportant de plus des moyens (7, 10) de prélèvement d'air froid sur le flux froid dudit turbomoteur (2), ledit air froid ainsi prélevé étant adressé auxdits moyens de transformation d'air chaud (4, 5) et utilisé par ces derniers pour transformer l'air chaud prélevé sur le turbomoteur (2) en air conditionné, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (10) permettant d'interrompre le prélèvement d'air froid sur ledit: turbomoteur (2) par lesdits moyens de prélèvement d'air froid (7, 10), lorsque lesdits moyens de distribution d'air conditionné (24) sont alimentés par ladite unité auxiliaire (16 à 22).