Brevet FR3047976A1 — publié le 20170825

- 1 - GENERATEUR DE GAZ D'INERTAGE, ET SYSTEME D'INERTAGE D'UN RESERVOIR DE CARBURANT D'UN AERONEF METTANT EN OEUVRE LEDIT GENERATEUR DE GAZ D'INERTAGE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine technique des générateurs de gaz d'inertage, notamment utilisés dans des systèmes d'inertage d'au moins un réservoir de carburant d'un aéronef, tel qu'un avion, un hélicoptère ou analogue. ART ANTERIEUR Dans le domaine de l'aéronautique, il est bien connu d'utiliser des systèmes d'inertage pour générer un gaz d'inertage, tel que de l'azote, ou tout autre gaz neutre tel que le dioxyde de carbone par exemple, et pour introduire ledit gaz d'inertage dans les réservoirs de carburant pour des raisons de sécurité afin de réduire le risque d'explosion desdits réservoirs. Un système classique d'inertage de l'art antérieur comporte, d'une manière générale, un générateur de gaz d'inertage embarqué dit OBIGGS, selon l'acronyme anglo-saxon « On Board Inert Gas Generation Systems », alimenté en air, par exemple avec de l'air de purge détourné d'au moins un moteur. En effet, l'air de purge détourné d'au moins un moteur est actuellement le modèle le plus largement utilisé. Dans un tel système, la purge d'air est généralement déviée d'un ou plusieurs moteurs à partir de l'ouverture dite de pression intermédiaire et/ou de l'ouverture dite de haute pression en fonction de la situation de vol. On notera que l'utilisation de purge d'air pour le conditionnement d'air est avantageuse car la purge d'air a une pression relativement élevée, ainsi qu'une température relativement élevée, de sorte que l'air peut être ajusté sur une large gamme de pressions et de températures désirées. Le système OBIGGS est couplé au réservoir de carburant de l'avion et sépare l'oxygène de l'air. Le système OBIGGS comprend généralement un module de séparation d'air, ou plusieurs modules agencés en parallèles, contenant, par exemple, des membranes de 3047976 - 2 - zéolithe au travers desquelles un flux d'air est pressé. En raison des différents taux de transfert de masse de l'azote et de l'oxygène, le système divise le flux d'air de telle sorte qu'un flux d'air à forte teneur en azote et un flux d'air à forte teneur en oxygène sont obtenus. La fraction d'air enrichi en azote, considéré comme le gaz d'inertage, est 5 acheminée dans les réservoirs de carburant de telle sorte que le mélange d'air et de vapeur de kérosène présent dans cet emplacement est déplacé et évacué hors des réservoirs. La fraction de l'air enrichi en oxygène peut être réintroduite dans la cabine des passagers après avoir été traitée avec des moyens appropriés et/ou dans la chambre de combustion des réacteurs afin d'améliorer la combustion. Les dispositifs nécessaires à cette opération 10 tels que des compresseurs, des filtres, des modules de refroidissement à air, des eaux et analogues sont intégrés dans l'installation de gaz d'inertage. Ainsi, lorsque le ratio entre le carburant et l'oxygène, dans la partie vide du réservoir est inférieur à la limite d'inflammation définie conformément aux exigences de 15 la FAA selon l'acronyme anglo-saxon « Federal Aviation Administration » détaillées dans le document AC25.981-2A en date du 19 septembre 2008 et intitulé « FUEL TANK FLAMMABILITY REDUCTION MEANS » et ses annexes, aucune inflammation spontanée ne peut avoir lieu. De ce qui précède, rendre inerte un réservoir de carburant consiste notamment, par l'injection du gaz d'inertage, à maintenir le taux d'oxygène 20 présent dans ledit réservoir sous un certain seuil, par exemple 12%. Les générateurs de gaz d'inertage de l'état de la technique comprennent au moins deux modules de séparation d'air, montés en parallèles, afin de générer et délivrer un gaz enrichi en azote avec une pureté, à savoir une concentration d'oxygène résiduelle et un 25 débit souhaités. Le système d'inertage comprend de préférence une vanne de contrôle de débit installée en aval des modules de séparation d'air, afin de moduler le type de débit envoyé aux réservoirs selon la phase de vol de l'aéronef. 30 Une modulation à bas débit, par exemple de 0,45 à 0,90 kg/min, permet de générer un gaz d'inertage de très bonne qualité, comprenant notamment de l'ordre de 3% d'oxygène. Ce mode bas débit est généralement utilisé en phases stabilisées de l'aéronef, 3047976 - 3 - par exemple au sol ou en phase de croisière, pour lesquelles les besoins en débit de gaz d'inertage sont relativement faibles. En mode descente, le système d'inertage tend à utiliser un mode haut débit, par 5 exemple de 0,68 à 1,36 kg/min, pour lequel le débit de gaz d'inertage envoyé dans les réservoirs est élevé mais dont la qualité et la pureté sont moins bonnes, notamment de l'ordre de 13% d'oxygène. Le principal inconvénient du générateur de gaz d'inertage de l'état de la technique 10 réside dans son dimensionnement. En effet, l'agencement des modules de séparation d'air entraine un surdimensionnement du générateur, notamment par exemple en nombre de modules et d'éléments de filtration, par rapport au besoin réel, en fonction de la phase de vol, et entraine donc une surconsommation en kérosène ainsi qu'un alourdissement de l'aéronef 15 EXPOSE DE L'INVENTION L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un générateur de gaz d'inertage qui permet de fournir un gaz d'inertage de bonne qualité, 20 notamment en terme de pureté et de faible teneur en oxygène. Un autre objectif de l'invention est de fournir un générateur de gaz d'inertage adaptable en fonction du besoin et de la phase de vol de l'aéronef 25 A cet effet et selon l'invention, il a été mis au point un générateur de gaz d'inertage à partir d'un flux d'air, notamment pour système d'inertage d'au moins un réservoir de carburant d'un aéronef, remarquable en ce qu'il comprend un circuit d'air comprenant une entrée d'air, une sortie de gaz d'inertage, et des premier et deuxième modules de séparation d'air agencés en série sur ledit circuit d'air pour appauvrir l'air en oxygène et 30 générer du gaz d'inertage enrichi en azote. Les modules de séparation d'air sont agencés en série de sorte qu'ils permettent de générer un gaz d'inertage d'une très grande pureté c'est-à-dire avec une très faible teneur 3047976 - 4 - en oxygène, notamment de l'ordre de 3%. De plus, des modules de séparation de plus petites dimensions peuvent être mis en oeuvre pour atteindre des performances similaires à celles d'un système avec des modules de séparation plus importants et agencés en parallèle. L'intégration du générateur de gaz d'inertage dans le système d'inertage d'un 5 aéronef est alors facilitée. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, le circuit d'air comprend des moyens de déviation d'une partie du flux d'air en amont du premier module directement vers le deuxième module, et des moyens de déviation de 10 l'intégralité du flux d'air en aval du premier module directement vers la sortie de gaz d'inertage. Ainsi, il est possible de faire passer les modules de séparation d'air d'un agencement en série à un agencement en parallèle pour s'adapter à la phase de vol et aux 15 besoins réels en quantité et en qualité de gaz d'inertage. En effet, la présente invention permet de réaliser une modulation du débit de gaz d'inertage, de manière alternative par rapport à la modulation haut débit/bas débit couramment utilisée, au moyen d'un mode d'utilisation des modules de séparation d'air 20 en série ou en parallèle. Ainsi, la présente invention permet, d'une part, de dimensionner les équipements de filtration à la baisse, tels que par exemple le convertisseur d'ozone et le filtre à particules et, d'autre part, d'utiliser les modules de séparation d'air à débit relativement constant ce 25 qui présente notamment des avantages vis-à-vis de la régulation thermique du système. En effet, le système de préparation d'air du système d'inertage peut aussi être dimensionné à la baisse. L'invention trouve un intérêt particulier dans les systèmes d'inertage de dimensions 30 importantes comprenant plus de deux modules de séparation d'air. Selon une forme de réalisation particulière, le générateur comprend une première vanne et une deuxième vanne agencées sur le circuit d'air entre le premier module et le 3047976 - 5 - deuxième module, la première vanne est connectée à la sortie de gaz par un premier circuit de dérivation, et la deuxième vanne est connectée au circuit d'air en amont du premier module par un deuxième circuit de dérivation. Les vannes utilisées peuvent être du type à régulation de débit ou de pression. 5 Les modules de séparation d'air peuvent être de tout type. De préférence, les premier et deuxième modules de séparation d'air comprennent des membranes de zéolithe, pouvant comprendre des tailles différentes d'un module à l'autre. 10 L'invention concerne également un système d'inertage d'au moins un réservoir de carburant d'un aéronef. D'une manière connu, le système comprend au moins un générateur de gaz d'inertage alimenté avec de l'air de purge détourné d'au moins un moteur et/ou de l'air d'une cabine de passagers et/ou de l'air extérieur à l'aéronef par l'intermédiaire d'un système de préparation d'air assujetti à un compresseur, et des 15 moyens de distribution du gaz d'inertage dans le ou les réservoirs de carburant, reliés au générateur de gaz d'inertage. Selon l'invention, le système d'inertage est remarquable en ce que le générateur de gaz d'inertage est conforme aux caractéristiques précitées. Ainsi, lorsque les réservoirs de l'aéronef nécessitent un débit important de gaz d'inertage, particulièrement en phase de descente de l'aéronef, l'invention permet de faire passer les modules de séparation d'air en série afin que le gaz d'inertage présente une meilleure qualité. En revanche, lorsque les réservoirs nécessitent un faible débit de gaz d'inertage, le gaz d'inertage à faible débit présente donc déjà une bonne qualité de sorte que les modules de séparation d'air peuvent être utilisés en série ou en parallèle selon les besoins. 20 25 30 DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES 3047976 - 6 - D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, du générateur de gaz d'inertage selon l'invention, à partir des dessins annexés dans lesquels : 5 - la figure 1 est une représentation schématique d'un générateur de gaz d'inertage selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique illustrant un système d'inertage selon l'invention ; 10 - la figure 3 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 1 illustrant l'agencement en série des modules de séparation d'air ; - la figure 4 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 1 15 illustrant l'agencement en parallèle des modules de séparation d'air. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, l'invention concerne un générateur (1) de gaz d'inertage 20 comprenant un circuit (2) d'air à appauvrir en oxygène pour générer du gaz d'inertage enrichi en azote. En référence à la figure 2, le générateur (1) est notamment destiné à être mis en oeuvre dans un système d'inertage (11) d'au moins un réservoir (12) de carburant d'un 25 aéronef. A cet effet, le générateur (1) de gaz d'inertage comprend une entrée d'air (3) alimentée avec de l'air de purge détourné d'au moins un moteur et/ou de l'air d'une cabine de passagers et/ou de l'air extérieur à l'aéronef par l'intermédiaire d'un système de préparation d'air (14) assujetti à un compresseur, et une sortie de gaz d'inertage (4) connectée avec des moyens de distribution (13) du gaz d'inertage dans le ou les réservoirs 30 (12) de carburant. Le générateur (1) comprend également une sortie de gaz enrichi en oxygène (15) 3047976 - 7 - Le système d'inertage (11) permet de générer et d'introduire un gaz d'inertage dans le ou lesdits réservoirs (12) de carburant de l'aéronef pour des raisons de sécurité afin de réduire le risque d'explosion desdits réservoirs. Le gaz d'inertage injecté vise à rendre inerte le ou les réservoirs (12) de carburant, c'est-à-dire qu'il permet de réduire le taux 5 d'oxygène présent dans le ou lesdits réservoirs, et notamment de maintenir ce taux sous un certain seuil, de préférence inférieur à 12%. En référence à la figure 1, le générateur (1) de gaz d'inertage comprend au moins deux modules (5, 6) de séparation d'air, comprenant par exemple des membranes de 10 zéolithe au travers desquelles l'air est pressé de manière à obtenir, d'une part, un gaz d'inertage à forte teneur en azote et, d'autre part, un gaz à forte teneur en oxygène. Selon l'invention, le circuit d'air (2) du générateur (1) de gaz d'inertage permet de relier les deux modules (5, 6) de séparation d'air, et comprend des agencements pour 15 sélectivement dévier, en amont du premier module (5), une partie du flux d'air directement vers l'entrée du deuxième module (6), et des agencement pour sélectivement dévier, en aval du premier module (5), l'intégralité du flux d'air directement vers la sortie de gaz d'inertage (4). 20 A cet effet, le circuit d'air (2) comprend deux vannes (7, 8) agencées entre les premier et deuxième modules (5, 6) de séparation d'air. Une première vanne (7) est connectée directement à la sortie de gaz (4) par l'intermédiaire d'un premier circuit de dérivation (9), et une deuxième vanne (8) est connectée au circuit d'air (2) en amont du premier module (5) de séparation d'air par l'intermédiaire d'un deuxième circuit de 25 dérivation (10). Ainsi, l'invention permet de faire passer les modules (5, 6) de séparation d'air d'un agencement en série à un agencement en parallèle. 30 En effet, lorsque les réservoir de carburant de l'aéronef nécessitent un débit important de gaz d'inertage, notamment en phase non stabilisée de l'aéronef, telle qu'en phase de descente par exemple, les modules (5, 6) de séparation d'air sont passés dans un agencement en série par l'actionnement des vannes (7, 8) pour obtenir un fort débit de gaz 3047976 - 8 - d'inertage tout en assurant une bonne qualité dudit gaz d'inertage, avec une teneur faible en oxygène de l'ordre de 3%. A cet effet, et en référence à la figure 3, les vannes (7, 8) sont basculées dans une 5 position de mise en série dans laquelle, le flux d'air circulant dans le circuit d'air (2) traverse le premier module (5) de séparation d'air, passe par les première et deuxième vannes (7, 8), traverse le deuxième module (6) de séparation d'air, et est évacué par la sortie de gaz d'inertage (4) pour la distribution et l'injection dans les réservoirs. 10 L'agencement en série des modules (5, 6) de séparation d'air peut également être envisagé en phase de croisière de l'aéronef pour permettre d'optimiser le dimensionnement des éléments de filtration du générateur (1) de gaz d'inertage. D'une manière alternative, lorsque les réservoirs nécessitent un débit faible en gaz 15 d'inertage et en fonction du besoin ou de la phase de vol, les modules (5, 6) de séparation d'air sont passés dans un agencement en parallèle par l'actionnement des deux vannes (7, 8), A cet effet, et en référence à la figure 4, les vannes (7, 8) sont basculées dans une 20 position de mise en parallèle dans laquelle à partir de l'entrée d'air (3) : - une première partie du flux d'air circulant dans le circuit d'air (2) traverse le premier module (5) de séparation d'air jusqu'à la première vanne (7) qui dévie ensuite la première partie du flux d'air dans le premier circuit de dérivation (9) et directement vers la sortie de gaz d'inertage (4) sans passer par le deuxième module (6) de séparation ; 25 - une deuxième partie du flux d'air est déviée par l'intermédiaire de la deuxième vanne (8) dans le deuxième circuit de dérivation (10) et directement vers l'entrée du deuxième module (6) de séparation, sans passer par le premier module (5) de séparation, et traverse ledit deuxième module (6) jusqu'à la sortie de gaz d'inertage (4). 30 Selon l'invention, des gaz d'inertage avec des puretés similaires peuvent être obtenus avec des débits différents en fonction de l'agencement en série ou en parallèle des modules (5, 6) de séparation d'air. Ceci est particulièrement avantageux lorsque l'on 3047976 - 9 - souhaite générer un gaz d'inertage avec une qualité et une pureté constantes, et avec des débits différents. L'invention est particulièrement avantageuse lorsque les vannes (7, 8) utilisées sont 5 du type à régulation de pression ou à régulation de débit. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, des variantes peuvent être envisagées avec un générateur (1) comprenant plus de deux modules (5, 6) de séparation d'air afin de générer un gaz d'inertage comprenant une pureté répondant aux besoins, 10 notamment dans le cadre d'applications avec régulation en boucle fermée par exemple. L'essentiel de l'invention réside, d'une part, dans le fait de fournir un générateur (1) de gaz d'inertage avec des modules (5, 6) de séparation d'air agencés en série, et d'autre part, dans le fait de pouvoir avantageusement faire passer, en fonction des besoins, les modules (5, 6) de séparation d'air dans un agencement en parallèle. Avec plus de deux 15 modules (5, 6) de séparation d'air il est aussi possible d'envisager alternativement, un agencement avec des modules (5, 6) de séparation d'air en série et en parallèle, et un agencement avec uniquement des modules (5, 6) de séparation d'air en série. De plus, et pour s'adapter au mieux aux besoins en quantité et en qualité de gaz d'inertage, les membranes de zéolithe du premier module (5) peuvent être de tailles différentes de celles 20 du deuxième module (6). Le générateur (1) de gaz d'inertage selon l'invention peut également être utilisé en sortie (15) d'un générateur (1) pour extraire l'azote restant dans ledit gaz enrichi en oxygène et améliorer le rendement dudit système. 25 De la même manière, étant donné qu'un générateur de gaz d'inertage (1) génère également un gaz enrichi en oxygène, l'invention peut être mise en oeuvre pour générer un gaz enrichi en oxygène avec des modules de séparation d'air agencés sélectivement en série ou en parallèle. 30 REVENDICATIONS1. Générateur (1) de gaz d'inertage à partir d'un flux d'air, notamment pour système d'inertage d'au moins un réservoir de carburant d'un aéronef, ledit générateur (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'air (2) comprenant une entrée d'air (3), une sortie de gaz d'inertage (4), et des premier et deuxième modules (5, 6) de séparation d'air agencés en série sur ledit circuit d'air (2) pour appauvrir l'air en oxygène et générer du gaz d'inertage enrichi en azote. 2. Générateur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'air (2) comprend des moyens de déviation (7, 9) d'une partie du flux d'air en amont du premier module (5) directement vers le deuxième module (6), et des moyens de déviation (8, 10) de l'intégralité du flux d'air en aval du premier module (5) directement vers la sortie de gaz d'inertage (4). 3. Générateur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une première vanne (7) et une deuxième vanne (8) agencées sur le circuit d'air (2) entre le premier module (5) et le deuxième module (6), la première vanne (7) est connectée à la sortie de gaz par un premier circuit de dérivation (9), et la deuxième vanne (8) est connectée au circuit d'air (2) en amont du premier module (5) par un deuxième circuit de dérivation (10). 4. Générateur (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les vannes (7, 8) sont des vannes (7, 8) de régulation de débit. 5. Générateur (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les vannes (7, 8) sont des vannes (7, 8) de régulation de pression. 6. Générateur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premier et deuxième modules (5, 6) de séparation d'air comprennent des membranes de zéolithe. 7. Générateur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les membranes de zéolithe du premier module (5) sont de tailles différentes des membranes de zéolithe du deuxième module (6). 3047976 -11 8. Système d'inertage (11) d'au moins un réservoir (12) de carburant d'un aéronef, ledit système comprenant au moins un générateur (1) de gaz d'inertage alimenté avec de l'air de purge détourné d'au moins un moteur et/ou de l'air d'une cabine de passagers, et des 5 moyens de distribution (13) du gaz d'inertage dans le ou les réservoirs (12) de carburant, reliés au générateur (1) de gaz d'inertage, ledit système d'inertage étant caractérisé en ce que le générateur (1) de gaz d'inertage est conforme à l'une des revendications 1 à 7.