Brevet FR3025184A1 — publié le 20160304

Appareil de ventilation pour aéronef La présente invention concerne un appareil de ventilation pour aéronef, du type comprenant : un ventilateur comprenant une machine électrique tournante et au moins une roue de mise en mouvement d'un flux d'air, la machine tournante étant apte à faire tourner la roue autour d'un axe, la roue comprenant un moyeu relié à un ensemble de pales s'étendant radialement ; et un dispositif électronique de puissance, apte à être relié à un réseau d'alimentation électrique et comprenant un onduleur réversible, relié à la machine tournante. On connaît des ventilateurs servant au refroidissement, lorsque l'aéronef est au sol, d'un échangeur de chaleur situé au niveau d'une entrée d'air dynamique. L'échangeur de chaleur est généralement un condenseur d'un cycle frigorifique de l'aéronef, qui est notamment un avion. Les ventilateurs sont particulièrement utiles lorsque l'avion est au sol. Dans ce cas, la convection naturelle n'est pas suffisante pour refroidir l'échangeur de chaleur de façon satisfaisante. En revanche, lorsque l'avion est en vol, l'échangeur de chaleur est refroidi par un flux d'air généré par le déplacement de l'avion. Les ventilateurs deviennent inutiles et accroissent le poids de l'avion. Afin de valoriser les ventilateurs en cours de vol, il est connu, notamment du document FR2956379, de les relier à un onduleur réversible. Un tel onduleur est apte à convertir une énergie électrique fournie par le ventilateur entraîné par le flux d'air, puis à injecter cette énergie électrique dans le réseau d'alimentation électrique de l'avion. En cas de besoin électrique dans l'avion en vol, le ventilateur est apte à jouer un rôle de turbine pour fournir un surplus d'énergie électrique. Dans l'état de la technique, ce type d'appareil de ventilation est conçu de manière à optimiser le rendement « ventilateur » lorsque l'avion est au sol. En particulier, les pales du ventilateur sont cambrées, de manière à dévier l'écoulement de l'air et à comprimer l'air. Un exemple de ventilateur utilisé dans ce type d'appareil est le fan Technofan® AS2010 (D174mm). Un autre exemple de dispositif aux pales cambrées est notamment décrit dans le document W02012/134833. Cependant, ce type de ventilateur utilisé en mode « turbine » conduit à des rendements très limités, notamment inférieurs à 30%. La présente invention a pour but d'augmenter le rendement « turbine » du ventilateur en conservant un rendement « ventilateur » suffisant, pour utiliser de manière réversible l'appareil de ventilation. 3025184 2 A cet effet, l'invention a pour objet un appareil de ventilation du type précité, dans lequel une cambrure des pales de la roue est inférieure à 8%. La roue d'un tel appareil de ventilation dévie l'air uniquement par décollement aérodynamique et non par la cambrure des pales. Un tel appareil de ventilation est apte à 5 comprimer ou détendre l'air en fonction de sa vitesse de rotation, toutes conditions égales par ailleurs. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'appareil de ventilation comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles : 10 la cambrure des pales de la roue est inférieure à 3% ; au niveau d'une extrémité d'attache d'une pale sur le moyeu, un angle de calage de la pale est compris entre 25° et 85° et d préférence compris entre 45° et 75° ; un angle de vrillage de la pale est compris entre 5° et 35° ; 15 l'appareil comprend au moins un redresseur relié à une surface extérieure de la machine tournante, ledit redresseur étant formé d'un ensemble d'ailettes s'étendant radialement autour de l'axe de rotation de la roue ; les ailettes sont planes et disposées dans des plans contenant l'axe de rotation de la roue ; 20 les ailettes sont cambrées par rapport à des plans contenant l'axe de rotation de la roue et munies de moyens d'inversion d'une orientation de la cambrure. L'invention a également pour objet un aéronef comprenant un conduit d'air, ledit conduit étant pourvu d'une entrée et d'une sortie raccordées à l'extérieur de l'aéronef, ledit conduit comportant successivement un échangeur de chaleur et un appareil de 25 ventilation tel que décrit ci-dessus. L'invention a également pour objet un procédé de fonctionnement d'un tel aéronef, le procédé étant défini comme suit : dans un premier mode dit « mode ventilateur », l'aéronef étant au sol, le dispositif électronique de puissance alimente en énergie la machine tournante pour entraîner en rotation la roue du ventilateur, à une première 30 vitesse de rotation ; dans un deuxième mode dit « mode turbine », l'aéronef étant en vol et un flux d'air parcourant le conduit, ledit flux d'air entraîne la roue du ventilateur, à une deuxième vitesse de rotation, la machine tournante générant ainsi du courant électrique transféré au dispositif électronique. De préférence, la deuxième vitesse de rotation est inférieure à la première vitesse de rotation. 35 Suivant un mode particulier de réalisation, dans le premier mode « ventilateur », les ailettes du redresseur sont orientées selon un premier angle de calage de sens 3025184 3 opposé à l'angle de calage des pales de la roue ; et dans le deuxième mode « turbine », les ailettes sont orientées selon un deuxième angle de calage de même sens que l'angle de calage des pales de la roue. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 5 donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un conduit d'air d'aéronef, équipé d'un appareil de ventilation selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un appareil de ventilation selon 10 un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 est une vue détaillée, en perspective, de l'appareil de ventilation de la figure 2 ; la figure 4 est une vue de section d'un détail de l'appareil de ventilation de la figure 2 ; 15 la figure 5 est une vue de section d'un détail de l'appareil de ventilation de l'état de la technique ; les figures 6 et 7 sont des schémas explicatifs de fonctionnements de l'appareil de ventilation de la figure 4 ; les figures 8 et 9 sont des vues détaillées, latérales, d'un appareil de ventilation 20 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et la figure 10 est un schéma simplifié de la structure électronique d'un appareil de ventilation selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente un conduit 6 d'air d'un aéronef, comportant successivement un échangeur 8 de chaleur et un appareil 10 de ventilation selon l'invention. 25 Le conduit 6 d'air s'étend dans une direction longitudinale X allant de l'avant vers l'arrière de l'aéronef. Il comporte successivement de l'avant vers l'arrière une entrée 12 d'air dynamique, une première portion 16 cylindrique, l'échangeur 8 de chaleur, une seconde portion 18 tronconique, l'appareil 10 de ventilation et une sortie 20 d'air. La première portion 16 cylindrique et la seconde portion 18 tronconique s'étendent 30 longitudinalement. Une grande base du tronc de cône de la seconde portion 18 est située proche de l'échangeur 8. Une petite base du tronc de cône est située proche de l'appareil 10 de ventilation. Le conduit 6 d'air comporte en outre une première entrée 22 d'air ventilateur. De manière optionnelle, le conduit 6 comporte une seconde entrée 24 d'air ventilateur. 35 La première entrée 22 est piquée dans la portion cylindrique 16, en amont de l'échangeur de chaleur 8 et de l'appareil de ventilation 10. La seconde entrée 24 est 3025184 4 piquée dans la portion 18 tronconique, en aval de l'échangeur 8 de chaleur et en amont de l'appareil 10 de ventilation. L'entrée 12 d'air dynamique, la sortie 20 d'air et les entrées 22, 24 d'air ventilateur débouchent toutes les quatre sur l'extérieur de l'aéronef. 5 La première entrée 22 d'air ventilateur comporte un premier clapet 26. La seconde entrée 24 d'air ventilateur comporte un second clapet 28. La figure 2 est une vue détaillée de l'appareil 10 de ventilation de la figure 1, selon un premier mode de réalisation. L'appareil 10 comporte un ventilateur 30 et un dispositif 32 électronique de puissance pour son alimentation. Le ventilateur 30, situé à l'intérieur 10 du conduit 6 d'air, comporte une roue 34 et une machine 36 électrique tournante. La machine 36 tournante est reliée au dispositif 32. La machine 36 est de préférence une machine synchrone, similaire à des machines connues de l'état de la technique et notamment décrites dans le document FR2956379. La machine 36 comporte un rotor 40 et un stator 42. Le rotor 40 est de forme 15 générale cylindrique, disposé selon un axe 41 parallèle à la direction longitudinale X. Le stator 42 s'étend autour du rotor 40. Le stator 42 présente un carter 44. Le carter 44 comporte une embase 46 et une paroi 48 latérale cylindrique. L'embase 46 est prolongée axialement vers la roue 34 par la paroi 48, qui forme la surface extérieure de la machine 36 tournante. 20 Un redresseur 50 est relié à la surface extérieure de la machine 36 tournante. Le redresseur 50 est ainsi situé en aval de la roue 34. Le redresseur 50 est formé d'un ensemble d'ailettes 52 disposées sur la paroi 48 latérale cylindrique. Les ailettes 52 s'étendent radialement autour de l'axe 41. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les ailettes 52 sont fixes sur la paroi 48. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les 25 ailettes 52 sont planes et disposées dans des plans contenant l'axe 41. Le carter 44 abrite une partie active 60 du stator 42. La partie active 60 est fixée sur une surface interne de la paroi 48 latérale cylindrique. La partie active 60 comporte des armatures formées de matériaux ferromagnétiques et des bobinages enroulés autour de ces armatures. La partie active 60 s'étend autour d'un entrefer 62. 30 Le rotor 40, qui s'étend longitudinalement au centre de l'entrefer 62, porte sur sa surface externe des éléments 63 magnétiques, tels que des barres aimantées. Le rotor 40 est monté rotatif par rapport au stator 42 par l'intermédiaire de moyens rotatifs 64, 65 fixés au carter 44. Ces moyens rotatifs 64, 65 sont par exemple des roulements à billes. La roue 34 est solidaire du rotor 40, par exemple par vissage. 35 La roue 34 comporte un moyeu 70 de révolution. Le moyeu 70 porte un ensemble de pales 72 reliées audit moyeu par leur extrémité 74 d'attache. Une extrémité 75 libre 3025184 5 des pales 72 suit sensiblement un profil d'une surface 76 intérieure du conduit 6 d'air au niveau de la roue 34. Les pales 72 de la roue 34 seront décrites plus en détails ci-après. Selon une variante de réalisation, l'appareil 10 comporte plusieurs couples roue 34 5 / redresseur 50, lesdits couples étant dénommés étages. Par exemple, plusieurs étages sont situés sur la même sortie d'arbre moteur, ou encore les étages sont répartis de chaque côté du moteur selon l'axe 41, avec deux sorties d'arbre. Selon une autre variante, les étages sont répartis sur plusieurs moteurs différents, ayant des vitesses de rotation différentes. De manière optionnelle, l'étage situé le plus 10 proche de la sortie 20 d'air ne comporte pas de redresseur. De manière optionnelle, l'appareil 10 de ventilation comporte également un distributeur 80. Le distributeur 80 est placé dans le conduit 6 en amont de la roue 34, c'est-à-dire entre la roue 34 et la seconde portion 18 tronconique. Le distributeur 80 comporte des aubes 82 s'étendant radialement autour de l'axe 15 41. Chaque aube 82 a une extrémité fixe 84 reliée à la surface 76 intérieure du conduit 6 d'air. Chaque aube 82 a en outre une extrémité libre 86 proche de l'axe 41. Chaque aube 82 est apte à pivoter autour d'un axe 87, perpendiculaire à l'axe 41 et reliant l'extrémité fixe 84 à l'extrémité libre 86. Un moteur (non représenté) commande la rotation de chaque aube 82 autour de son axe 87. Les aubes 82 comportent des moyens (non représentés) 20 de verrouillage dans une orientation angulaire précise autour de leur axe 87. La figure 3 est une vue en perspective du ventilateur 30 de la figure 2. La roue 34 du ventilateur est destinée à tourner autour de l'axe 41 dans un sens représenté par une flèche 88 sur la figure 3. Les pales 72 ont deux surfaces 90, 92 opposées, dont un intrados 90 et un extrados 92. L'intrados est orienté de manière à précéder l'extrados lors 25 de la rotation. La figure 4 est une vue de section d'une pale 72, selon une coupe de rayon constant au niveau de l'extrémité 74 d'attache. La figure 5 est une vue de section d'une pale 102 d'un ventilateur selon l'état de la technique, selon une coupe de rayon constant au niveau de l'extrémité d'attache. Les différents éléments des pales 72, 102 sont 30 désignés ci-dessous par les mêmes numéros de référence. L'intrados 90 et l'extrados 92 se rejoignent au niveau d'un bord 94 d'attaque et d'un bord 96 de fuite. Le bord 94 d'attaque et le bord 96 de fuite s'étendent radialement par rapport à l'axe 41. Une ligne 98 de corde relie le bord 94 d'attaque et le bord 96 de fuite. 35 De manière connue, la cambrure des pales 72, 102 est définie par le rapport f/c (figure 5), entre la flèche maximale f d'une ligne 100 équidistante de l'intrados 90 et de 3025184 6 l'extrados 92, et la corde c représentant une longueur de la ligne 98 entre le bord 94 d'attaque et le bord 96 de fuite. Sur toute la longueur entre l'extrémité 74 d'attache et l'extrémité 75 libre, la cambrure f/c de la pale 72 est de préférence inférieure à 8% et plus préférentiellement 5 inférieure ou égale à 3%. Un angle de calage de la pale 72 est défini par un angle a formé par la ligne 98 de corde et l'axe 41, dont une projection est représentée sur la figure 4. L'axe 41 correspond à la direction d'écoulement du flux d'air dans le conduit 6. Au niveau de l'extrémité 74 d'attache, l'angle de calage a de la pale 72 est de préférence compris entre 25° et 85° et 10 plus préférentiellement compris entre 45° et 75°. De manière connue, la pale 72 est vrillée afin de faire varier l'angle de calage entre l'extrémité 74 d'attache et l'extrémité 75 libre. Un angle de vrillage de la pale 72 est de préférence compris entre 5° et 35°. L'angle de village est défini comme l'angle entre la corde du profil de l'extrémité 74 d'attache et la corde du profil de l'extrémité 75 libre. 15 Les figures 6 et 7 sont des vues de section de la pale 72 selon la même coupe que la figure 4. Les vecteurs vitesses sont représentés, respectivement en mode « ventilateur » (figure 6) et en mode « turbine » (figure 7). Au niveau du bord 94 d'attaque, la vitesse U d'entraînement de la roue 34 est perpendiculaire à l'axe 41. La vitesse V du flux d'air est parallèle à l'axe 41. Il en résulte la 20 vitesse relative W du flux d'air par rapport au bord 94 d'attaque. Au niveau du bord 96 de fuite, la vitesse U est la même qu'au bord 94 d'attaque mais le flux d'air est dévié. La vitesse V' du flux d'air au bord 96 de fuite a une composante axiale Va, parallèle à l'axe 41, et une composante tangentielle Vt, perpendiculaire à l'axe 41. Il en résulte la vitesse relative W' du flux d'air par rapport au 25 bord 96 de fuite. D'une manière générale, le profil de la pale 72 est défini de sorte que la puissance aérodynamique soit nulle pour un certain débit Qv d'air dans le conduit 6 et une certaine vitesse No de rotation de la roue 34. La puissance aérodynamique est définie par P = p x Qv x U x Vt, p étant la masse volumique de l'air et les vitesses étant mesurées au bord 96 30 de fuite. Le débit Qv d'air est proportionnel à la vitesse V du flux d'air au niveau du bord 94 d'attaque. Pour chaque condition de pression, de température et de débit d'air devant l'appareil 10, il existe une certaine valeur No de la vitesse N de rotation de la roue 34, soit une certaine valeur U0 d'entraînement de la roue, pour laquelle le flux d'air n'est pas dévié 35 par la rotation de la roue 34. On obtient donc V' = Va = V, donc Vt = 0 au bord 96 de fuite. 3025184 7 Pour des conditions identiques de pression, de température et de débit d'air devant l'appareil 10, on obtient : sur la figure 6, en mode ventilateur, N > No et U > Uo. Les vecteurs U et Vt ont la même orientation donc P > 0 ; de l'énergie est apportée à l'écoulement 5 d'air ; sur la figure 7, en mode turbine, N REVENDICATIONS1.- Appareil (10) de ventilation pour aéronef comportant : - un ventilateur (30, 130) comprenant une machine (36) électrique tournante et au moins une roue (34) de mise en mouvement d'un flux d'air, la machine (36) tournante étant apte à faire tourner la roue autour d'un axe (41), la roue comprenant un moyeu (70) relié à un ensemble de pales (72) s'étendant radialement ; et - un dispositif (32) électronique de puissance, apte à être relié à un réseau (210) d'alimentation électrique et comprenant un onduleur (204) réversible, relié à la machine tournante ; caractérisé en ce qu'une cambrure (f/c) des pales (72) de la roue (34) est inférieure à 8%. 2.- Appareil selon la revendication 1, tel que la cambrure (f/c) des pales de la roue est inférieure à 3%. 3.- Appareil selon la revendication 1 ou la revendication 2, tel qu'au niveau d'une extrémité (74) d'attache d'une pale sur le moyeu, un angle de calage (a) de la pale (72) est compris entre 25° et 85° et de préférence compris entre 45° et 75°. 4.- Appareil selon l'une des revendications précédentes, tel qu'un angle de vrillage de la pale est compris entre 5° et 35°. 5.- Appareil selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un redresseur (50, 150) relié à une surface extérieure de la machine (36) tournante, ledit redresseur étant formé d'un ensemble d'ailettes (52, 152) s'étendant radialement autour de l'axe (41) de rotation de la roue. 6.- Appareil selon la revendication 5, tel que les ailettes (52) sont planes et disposées dans des plans contenant l'axe (41) de rotation de la roue. 7.- Appareil selon la revendication 5, tel que les ailettes (152) sont cambrées par rapport à des plans contenant l'axe (41) de rotation de la roue, lesdites ailettes étant munies de moyens d'inversion d'une orientation de la cambrure. 3025184 14 8.- Aéronef comprenant un conduit (6) d'air, ledit conduit étant pourvu d'une entrée (12) et d'une sortie (20) raccordées à l'extérieur de l'aéronef, ledit conduit comportant successivement un échangeur (8) de chaleur et un appareil (10) de ventilation selon l'une des revendications précédentes. 5 9.- Procédé de fonctionnement d'un aéronef selon la revendication 8, tel que : - dans un premier mode dit « mode ventilateur », l'aéronef étant au sol, le dispositif (32) électronique de puissance alimente en énergie la machine (36) tournante pour entraîner en rotation la roue (34) du ventilateur (30, 130), à une première vitesse (N1) de 10 rotation ; - dans un deuxième mode dit « mode turbine », l'aéronef étant en vol et un flux d'air parcourant le conduit (6), ledit flux d'air entraîne la roue (34) du ventilateur (30, 130), à une deuxième vitesse (N2) de rotation, la machine (36) tournante générant ainsi du courant électrique transféré au dispositif (32) électronique. 15 10.- Procédé selon la revendication 9 pris en combinaison avec la revendication 7, tel que : - dans le premier mode « ventilateur », les ailettes (152) du redresseur (150) sont orientées selon un premier angle de calage (a') de sens opposé à l'angle de calage (a) 20 des pales (72) de la roue (34) ; - dans le deuxième mode « turbine », les ailettes (152) sont orientées selon un deuxième angle de calage (a") de même sens que l'angle de calage (a-) des pales (72) de la roue.