Brevet FR3088682A1 — publié le 20200522

Description Titre de l'invention : Turboréacteur comportant un système de prélèvement destiné à prélever de l'air dans ledit turboréacteur Domaine technique [0001] La présente invention concerne un turboréacteur d'aéronef comportant un système de prélèvement d'air dudit turboréacteur pour alimenter un système d'air dudit aéronef, ainsi qu'un aéronef comportant au moins un tel turboréacteur. Technique antérieure [0002] La Fig. 1 montre un turboréacteur 10 à double flux d'aéronef équipé d'un système de prélèvement 100 de l'état de la technique qui est destiné à prélever de l'air dans le turboréacteur 10 et à le délivrer à un système d'air 60, comme par exemple, le système d'air conditionné 60 de la cabine de l'aéronef. [0003] Le turboréacteur 10 comporte : [0004] - une soufflante 12 destinée à générer un flux d'air dans le turboréacteur 10 selon une direction de déplacement 50 de l'air dans le turboréacteur, où de manière connue, le flux d'air se déplace ensuite en aval de la soufflante dans une veine piimaire du turboréacteur 10 ou bien dans une veine secondaire de ce dernier, [0005] - un compresseur moteur 14 qui comporte un compresseur basse pression 16 en aval de la soufflante 12 et un compresseur haute pression 18 disposé en aval du compresseur basse pression 16, [0006] - une turbine moteur 20 qui comporte une turbine haute pression 22 en aval du com- presseur haute pression 18, et une turbine basse pression 24 en aval de la turbine haute pression 22. [0007] L'air poussé par la soufflante 12 et transitant dans la veine primaire passe succes- sivement à travers le compresseur basse pression 16, le compresseur haute pression 18, la turbine haute pression 22, et la turbine basse pression 24 pour être éjecté vers l'extérieur. [0008] Entre le compresseur haute pression 18 et la turbine haute pression 22, l'air traverse une chambre de combustion 26. [0009] Le compresseur haute pression 18 comporte plusieurs étages de compression où la pression augmente, de l'amont vers l'aval selon la direction de déplacement 50, d'une basse pression au niveau du premier étage, à une haute pression au niveau du dernier étage, en passant par des pressions intermédiaires dans les étages intermédiaires [0010] Le système de prélèvement 100 comporte : [0011] - une première prise d'air 102 destinée à prélever, dans le compresseur haute pression 18, de l'air à basse pression ou à pression intermédiaire. 2 100121 - une deuxième prise d'air 104 destinée à prélever, dans le compresseur haute pression 18, de l'air à haute pression, [0013] - une valve anti-retour 106 connectée fluidiquement à la première prise d'air 102 et qui empêche l'air de se diriger vers ladite première prise d'air 102, [0014] - une valve haute pression 108 connectée fluidiquement à la deuxième prise d'air 104 et commandée alternativement en ouverture ou en fermeture, [0015] - une valve de régulation 110 destinée à réguler la pression du flux d'air qui la traverse, la sortie de la valve haute pression 108 et la sortie de la valve anti-retour 106 étant connectées fluidiquement à une même entrée de la valve de régulation 110, [0016] - un échangeur thermique 112 destiné à effectuer un échange thermique entre deux flux d'air qui le traversent, en particulier à refroidir l'air provenant de la sortie de la valve de régulation 110 qui est connectée fluidiquement à une première entrée de l'échangeur thermique 112 et où une première sortie de l'échangeur thermique 112 correspondant à sa première entrée est connectée fluidiquement au système d'air 60 de l'aéronef, [0017] - une unité de contrôle 114 destinée à commander la valve haute pression 108 et la valve de régulation 110. [0018] L'air nécessaire au refroidissement effectué dans l'échangeur thermique 112 est prélevé au travers d'une canalisation 116 arrangée en aval de la soufflante 12 dans la veine d'air secondaire du turboréacteur 10. Cet air frais pénètre par une deuxième entrée de l'échangeur thermique 112 et le traverse pour atteindre une deuxième sortie où il est rejeté à l'extérieur. Cet air frais se réchauffe par échange thermique avec l'air provenant de la sortie de la valve de régulation 110. [0019] Afin de réguler la pression de l'air provenant du compresseur haute pression 18, le système de prélèvement 100 comporte un capteur de pression Ill qui capte la valeur de la pression en aval de la valve de régulation 110. L'information délivrée par le capteur de pression Ill est transmise à l'unité de contrôle 114 qui commande la valve haute pression 108 et la valve de régulation 110 en conséquence. [0020] Afin de réguler la température de l'air alimentant le système d'air 60, le système de prélèvement 100 comporte sur la canalisation 116, une vanne de régulation 118 et un capteur de température 120 qui capte la valeur de la température en sortie de l'échangeur thermique 112 en amont du système d'air 60. L'information délivrée par le capteur de température 120 est transmise à l'unité de contrôle 114 qui commande la vanne de régulation 118 en conséquence. [0021] Une telle implantation ne donne pas toujours satisfaction en termes de consommation d'énergie. Exposé de l'invention 3 100221 Un objet de la présente invention est de proposer un turboréacteur comportant un système de prélèvement et qui permet un gain d'énergie par rapport à l'état de la technique. [0023] A cet effet, est proposé un turboréacteur à double flux comportant un compresseur haute pression et un système de prélèvement destiné à prélever de l'air dans ledit turboréacteur et à le délivrer à un système d'air, et qui comporte : [0024] - une alimentation en air pressurisé qui prélève de l'air sous pression au niveau du compresseur haute pression, [0025] - une canalisation arrangée pour prélever de l'air extérieur, [0026] - une turbine présentant un arbre rotatif et dont une entrée est connectée flui- diquement à la sortie de l'alimentation en air pressurisé, et [0027] - un compresseur présentant un arbre rotatif et dont une entrée est connectée flui- diquement à la canalisation, et une sortie est connectée fluidiquement au système d'air, [0028] où l'arbre rotatif du compresseur entraîne l'arbre rotatif de la turbine. [0029] Cette disposition particulière permet un gain d'énergie grâce à l'action combinée de la turbine et du compresseur. [0030] Avantageusement, le système de prélèvement comporte un échangeur thermique, la sortie du compresseur est connectée fluidiquement à une première entrée de l'échangeur thermique, une première sortie de l'échangeur thermique correspondant à la première entrée est connectée fluidiquement au système d'air, une sortie de la turbine est connectée fluidiquement à une deuxième entrée de l'échangeur thermique, et une deuxième sortie de l'échangeur thermique correspondant à la deuxième entrée évacue l'air refroidi à l'extérieur. [0031] Selon un mode de réalisation particulier, l'arbre rotatif du compresseur et l'arbre rotatif de la turbine forme un arbre rotatif commun. [0032] Selon un autre mode de réalisation particulier, le turboréacteur comporte une boîte de vitesse entre l'arbre rotatif du compresseur et l'arbre rotatif de la turbine. [0033] Avantageusement, la turbine présente son propre boîtier et le compresseur présente son propre boîtier différent du boîtier de la turbine. [0034] Avantageusement, le turboréacteur comporte un moteur électrique additionnel dont l'arbre est mécaniquement lié à l'arbre du compresseur. [0035] L'invention propose également un aéronef comportant au moins un turboréacteur selon l'une des variantes précédentes. Brève description des dessins [0036] Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, appa- raîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : [0037] [fig.1] est une représentation schématique d'un turboréacteur à double flux d'aéronef équipé d'un système de prélèvement selon l'état de la technique, [0038] [fig.2] est une vue de côté d'un aéronef comportant un turboréacteur à double flux selon l'invention, [0039] [fig.3] est une représentation schématique d'un turboréacteur à double flux d'aéronef équipé d'un système de prélèvement selon un premier mode de réalisation de l'invention et [0040] [fig.4] est une représentation schématique d'un turboréacteur à double flux d'aéronef équipé d'un système de prélèvement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0041] EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION [0042] La Fig. 2 montre un aéronef 70 équipé d'un turboréacteur 10 à double flux. [0043] La Fig. 3 et la Fig. 4 montrent le turboréacteur 10 équipé d'un système de pré- lèvement 200, 300 selon l'invention qui est destiné à prélever de l'air dans le turboréacteur 10 et à le délivrer à un système d'air 60, comme par exemple, le système d'air conditionné 60 de la cabine de l'aéronef. [0044] Le turboréacteur 10 comporte les mêmes éléments que celui de la Fig. 1, en par- ticulier une soufflante 12, un compresseur moteur 14 avec un compresseur basse pression 16 et un compresseur haute pression 18, ainsi qu'une turbine moteur 20 avec une turbine haute pression 22 et une turbine basse pression 24, et une chambre de combustion 26. Ces éléments portent les mêmes références. [0045] Le compresseur haute pression 18 comporte plusieurs étages de compression où la pression augmente, de l'amont vers l'aval selon une direction de déplacement de l'air 50 dans le turboréacteur, d'une basse pression au niveau du premier étage, à une haute pression au niveau du dernier étage en passant par une succession de pressions intermédiaires à chacun des étages intermédiaires. [0046] Le système de prélèvement 200, 300 comporte une alimentation en air pressurisé 150 qui prélève de l'air sous pression au niveau du compresseur haute pression 18. Dans le mode de réalisation de l'invention, l'alimentation en air pressurisé 150 comporte : [0047] - une première prise d'air 102 destinée à prélever, dans le compresseur haute pression 18, de l'air à basse pression ou à pression intermédiaire, [0048] - une deuxième prise d'air 104 destinée à prélever, dans le compresseur haute pression 18, de l'air à haute pression, [0049] - une valve anti-retour 106 dont l'entrée est connectée fluidiquement à la première prise d'air 102 et qui empêche l'air de se diriger vers la première prise d'air 102, [0050] - une valve haute pression 108 connectée fluidiquement à la deuxième prise d'air 104 et commandée alternativement en ouverture ou en fermeture, [0051] - une valve de régulation 110 destinée à réguler la pression du flux d'air qui la traverse, la sortie de la valve haute pression 108 et la sortie de la valve anti-retour 106 étant connectées fluidiquement à une même entrée de la valve de régulation 110, et [0052] - une unité de contrôle 114 destinée à commander la valve haute pression 108 et la valve de régulation 110. [0053] Afin de réguler la pression de l'air provenant du compresseur haute pression 18, l'alimentation en air pressurisé 150 comporte un capteur de pression 111 qui capte la valeur de la pression en aval de la valve de régulation 110. L'information délivrée par le capteur de pression 111 est transmise à l'unité de contrôle 114 qui commande la valve haute pression 108 et la valve de régulation 110 en conséquence. Bien sûr, une position différente du capteur de pression 111 est possible. [0054] Le système de prélèvement 200, 300 comporte également une turbine 202 dont l'entrée est connectée fluidiquement à la sortie de l'alimentation en air pressurisé 150, qui est ici la valve de régulation 110. L'air pressurisé provenant de l'alimentation en air pressurisé 150, ici de la valve de régulation 110, entraîne ainsi la turbine 202. [0055] Le système de prélèvement 200, 300 comporte également une canalisation 116 arrangée pour prélever de l'air extérieur. Dans le mode de réalisation de l'invention présenté sur les Figs. 3 et 4, la canalisation 116 est arrangée en aval de la soufflante 12 dans la veine d'air secondaire du turboréacteur 10 pour prélever de l'air frais à l'arrière de la soufflante 12, mais la canalisation 116 peut être arrangée pour prélever de l'air directement à l'extérieur du turboréacteur 10. [0056] Le système de prélèvement 200,300 comporte également un compresseur 204 dont l'entrée est connectée fluidiquement à la canalisation 116. [0057] Dans le premier mode de réalisation de l'invention, la sortie du compresseur 204 est connectée fluidiquement directement au système d'air 60. L'air fi-ais provenant de la soufflante 12 est ainsi réchauffé et pressurisé à travers le compresseur 204 pour être introduit dans le système d'air 60. En sortie de la turbine 202, l'air est directement éjecté à l'extérieur. [0058] Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention, le système de prélèvement 300 comporte également un échangeur thermique 112 destiné à effectuer un échange thermique entre deux flux d'air qui le traversent. L'échangeur thermique 112 se positionne en aval de la turbine 202 et du compresseur 204. [0059] Ainsi, la sortie du compresseur 204 est connectée fluidiquement indirectement au système d'air 60 et en sortie de la turbine 202, l'air est indirectement éjecté à l'extérieur. [0060] La sortie du compresseur 204 est alors connectée fluidiquement à une première entrée de l'échangeur thermique 112. La première sortie de l'échangeur thermique 112 6 correspondant à la première entrée est connectée fluidiquemcnt au système d'air 60. L'air frais provenant de la soufflante 12 est ainsi réchauffé à travers le compresseur 204 et l'échangeur thermique 112 et pressurisé à travers le compresseur 204. [0061] La sortie de la turbine 202 est connectée fluidiquemcnt à une deuxième entrée de l'échangeur thermique 112. La deuxième sortie de l'échangeur thermique 112 correspondant à la deuxième entrée évacue l'air refroidi à l'extérieur. Le flux d'air sortant de la turbine 202 constitue le flux d'air chaud pénétrant dans l'échangeur thermique 112. [0062] L'échangeur thermique 112 effectue un échange thermique entre les deux flux d'air qui le traversent, en particulier pour réchauffer l'air provenant du compresseur 204 par refroidissement de l'air provenant de la turbine 202. [0063] Dans les deux modes de réalisation, l'arbre rotatif du compresseur 204 entraîne l'arbre rotatif de la turbine 202, ainsi la rotation de la turbine 202 entraîne la rotation du compresseur 204. L'entraînement peut être direct à travers un arbre rotatif commun formé par l'arbre rotatif du compresseur 204 et l'arbre rotatif de la turbine 202 ou indirect à travers une boîte de vitesse entre l'arbre rotatif du compresseur 204 et l'arbre rotatif de la turbine 202 si des vitesses de rotation différentes sont préférées. [0064] En outre, il est plus facile de réchauffer l'air frais pour l'amener à une température ambiante que de refroidir l'air chaud du compresseur moteur 14 pour l'amener à la même température ambiante car l'écart est moindre. [0065] Pour éviter les mélanges entre l'air provenant de l'alimentation en air pressurisé 150 et l'air provenant de la soufflante 12, la turbine 202 et le compresseur 204 ne présentent pas un boîtier commun, c'est-à-dire que la turbine 202 présente son propre boîtier et que le compresseur 204 présente également son propre boîtier diffèrent du boîtier de la turbine 202. [0066] Le turboréacteur 10 peut également comporter un moteur électrique additionnel 206 réversible pouvant fonctionner aussi bien en génératrice qu'en moteur. L'arbre du moteur électrique additionnel 206 est mécaniquement lié à l'arbre du compresseur 204, soit directement ou par l'intermédiaire d'une boîte de vitesse. La connexion mécanique du moteur électrique additionnel 206 au compresseur 204 est de préférence activable/ désactivable, par l'action de servocommandes (non représentées). [0067] Lorsque le compresseur 204 est entraîné par la turbine 202, l'arbre du moteur ad- ditionnel 206 est entrainé par l'arbre du compresseur 204 et le moteur additionnel 206 fonctionne en génératrice pour charger des batteries (par exemple arrangées dans le turboréacteur). [0068] A l'inverse, dans certaines conditions de vol, lorsque le prélèvement d'air au niveau du compresseur haute pression 18 doit être évité afin de pouvoir utiliser la turbomachine de manière optimum, le moteur additionnel 206, alimenté par des batteries, 7 fonctionne en moteur pour entraîner le compresseur 204 et son arbre entraîne l'arbre du compresseur 204. [0069] L'unité de contrôle comprend classiquement, reliés par un bus de communication : un processeur ou CPU (« Central Processing Unit » en anglais) ; une mémoire vive RAM (« Random Access Memory » en anglais) ; une mémoire morte ROM (« Read Only Memory » en anglais) ; une unité de stockage telle qu'un disque dur ou un lecteur de support de stockage ; au moins une interface de communication, permettant par exemple à l'unité de contrôle de communiquer avec les moteurs, actionneurs, ... 8