Brevet FR3093766A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : SYSTÈME DE CONDITIONNEMENT D'AIR ÉQUIPÉ D'UN SYSTÈME DE GESTION THERMIQUE D'HUILE ET D'AIR PRESSURISÉ Domaine technique de l'invention 100011 L'invention concerne un système de conditionnement d'air comprenant un système de refroidissement. En particulier, l'invention concerne un système de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef. Arrière-plan technologique [0002] Dans un véhicule, en particulier un aéronef, de nombreuses pièces en mouvement, comme le moteur, nécessitent une lubrification ou un refroidissement par huile. Cette huile est soumise à la chaleur dégagée par le moteur ou d'autres éléments de l'aéronef et doit donc être refroidie pour un fonctionnement optimal. [0003] Un système de refroidissement d'huile classique d'un turboréacteur d'un aéronef comprend des échangeurs de chaleur à ailettes refroidis par exemple au moyen : d'un prélèvement de débit d'air d'écoulement du moteur, dit «fin air » en anglais, ce qui pénalise sa consommation de kérosène, directement du débit d'écoulement du moteur, en plongeant les ailettes de l'échangeur dans le débit fan air, ce qui crée des pertes de charges et des perturbations d'écoulement d'air sur l'air d'écoulement du moteur, et donc réduit la poussée du moteur. [0004] Dans les moteurs aéronautiques tels que les turboréacteurs double flux à très fort taux de dilution (le taux de dilution étant le rapport entre le flux chaud et le flux froid du turboréacteur), les pertes de charges et les perturbations d'écoulement sur l'air d'écoulement ne sont plus acceptables, car elles réduisent fortement la poussée du moteur. Ainsi, l'impact négatif d'un prélèvement de débit d'écoulement d'air sur la consommation de kérosène du moteur est bien supérieur à celle d'un moteur aéronautique classique. [0005] L'air d'écoulement ou «fan air » désigne l'air traversant le moteur. Dans un turbo- réacteur à double flux, il est composé du flux primaire et du flux secondaire. [0006] Lorsque le moteur aéronautique comprend une boite de réduction, la puissance chaude transmise à l'huile est beaucoup plus élevée (typiquement 3 fois plus élevée) que sur un moteur aéronautique classique, ce qui nécessite de surdimensionner le système de refroidissement d'huile. [0007] En outre, dans un aéronef, le système de conditionnement d'air est alimenté par un air provenant d'un compresseur, dit air pressurisé, qui doit être refroidi pour atteindre 2 une température convenable pour l'alimentation en air de la cabine de l'aéronef. Cette nécessité de refroidissement est d'autant plus importante que l'air pressurisé est à un fort taux de compression et donc a une température élevée. La chaleur de cet air pressurisé est perdue lors du refroidissement. [0008] Enfin, le volume disponible pour le système de conditionnement d'air est diminué par rapport à celui d'un moteur aéronautique classique. Objectifs de l'invention [0009] L'invention vise à fournir un système de conditionnement d'air assurant une gestion thermique de l'huile moteur et de l'air pressurisé. [0010] L'invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système de conditionnement d'air ne nécessitant pas de prélèvement d'air sur l'écoulement d'air du moteur. [0011] L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système de conditionnement d'air présentant un encombrement réduit. [0012] L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système de conditionnement d'air permettant une optimisation énergétique par récupération et transfert de chaleur lors des échanges thermiques. [0013] L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système de conditionnement d'air permettant un préchauffage d'huile moteur avant décollage, en condition froide. Exposé de l'invention 100141 Pour ce faire, l'invention concerne un système de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef, comprenant un système de gestion thermique alimenté en air, dit air pressurisé, par au moins un compresseur de l'aéronef, et alimenté en air d'écoulement non pressurisé provenant d'au moins un moteur de l'aéronef, 100151 et caractérisé en ce que le système de gestion thermique comprend : 100161 - au moins un échangeur de chaleur air pressurisé/huile configuré pour assurer des échanges thermiques entre un flux d'air pressurisé et un premier circuit d'huile permettant de transférer une chaleur de Fair pressurisé à l'huile du premier circuit d'huile, 100171 - au moins un échangeur de chaleur huile/air d'écoulement configuré pour assurer des échanges thermiques entre un second circuit d'huile et l'air d'écoulement permettant de transférer la chaleur dudit second circuit d'huile à l'air d'écoulement, 100181 - au moins un circuit de liaison fluidique du premier circuit d'huile et dudit deuxième circuit d'huile. [0019] Un système de conditionnement d'air selon l'invention permet donc, grâce à son système de gestion thermique, d'effectuer un double transfert de chaleur entre 3 différents flux d'air de l'aéronef, tout en réalisant un refroidissement de l'huile moteur. [0020] En particulier, l'air pressurisé est refroidi au passage dans l'échangeur de chaleur air pressurisé/huile. L'air pressurisé ainsi refroidi est traité par le reste du système de conditionnement d'air. [0021] Dans l'art antérieur, ce refroidissement de l'air pressurisé est généralement réalisé par prélèvement d'air d'écoulement du moteur. Le système de conditionnement selon l'invention permet donc de supprimer ce prélèvement pour éviter les pertes de performance moteur. Remplacer ce prélèvement d'air par un échangeur à huile permet en outre une réduction de l'encombrement, notamment par suppression des conduites menant l'air d'écoulement prélevé à l'échangeur air pressurisé/air d'écoulement dans l'art antérieur. [0022] Selon les architectures d'aéronef, l'air pressurisé est fourni par exemple par le com- presseur d'un ou de plusieurs moteurs de l'aéronef, ou bien par un compresseur dédié au système de conditionnement d'air, motorisé ou entrainé par une turbine et prélevant de l'air extérieur à l'aéronef [0023] D'autre part, l'huile moteur est refroidie au passage dans l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement. Cela permet d'une part de refroidir l'huile moteur, ce qui est nécessaire au bon fonctionnement du moteur lors des phases de vol, et d'autre part de réchauffer l'air d'écoulement du moteur, ce qui augmente les performances du moteur (en particulier augmentation de la poussée). Une partie de la chaleur de l'huile provenant de l'air pressurisé, le système de conditionnement d'air effectue ainsi un transfert de chaleur indirect entre l'air pressurisé et l'air d'écoulement, via l'huile moteur. Cela permet une optimisation énergétique globale du système de conditionnement d'air. Le refroidissement de l'huile moteur n'est plus considéré comme une contrainte réduisant les performances du moteur mais s'intègre parfaitement dans un système global dans lequel la chaleur est transférée d'un air pressurisé où une chaleur excessive est réduite à un air d'écoulement où un surplus de chaleur est utile. [0024] Le fait que l'huile moteur soit réchauffée au contact de l'air pressurisé permet, au démarrage du moteur, un préchauffage plus rapide de l'huile moteur avant le décollage. [0025] La gestion thermique effectué par le système de gestion thermique consiste donc à la fois en un refroidissement de l'air pressurisé, un réchauffement de l'huile du premier circuit d'huile (utile lors du préchauffage), un refroidissement de l'huile du deuxième circuit d'huile et un réchauffement de l'air d'écoulement. [0026] L'huile moteur désigne au sens large par exemple l'huile de lubrification de la boite de transmission (Power Gear Box ou PGB en anglais), ou l'huile de lubrification de la boite accessoire (Accessory Gear Box ou AGB en anglais), ou l'huile de refroidissement du groupe générateur intégré (Integrated Drive Generator ou IDG en anglais), ou l'huile de refroidissement du générateur électrique, ou tout autre huile de refroidissement, de lubrification, etc. pouvant être utilisées dans l'aéronef. L'huile est généralement partagée entre ces composants mais pas nécessairement, certains composants pouvant avoir un circuit d'huile dédié. [0027] Avantageusement et selon l'invention, l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement est un échangeur de chaleur agencé dans le moteur de l'aéronef et configure pour présenter une surface d'échange thermique en contact direct avec le flux d'air d'écoulement traversant le moteur. [0028] Un tel échangeur, aussi appelé échangeur de peau, présente un encombrement faible et réduit les perturbations de l'air d'écoulement en n'impactant pas le flux d'écoulement et en n'effectuant pas de prélèvement, permettant ainsi de ne pas dégrader les performances du moteur. [0029] Avantageusement et selon l'invention, l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement est agencé dans un carter du moteur de l'aéronef [0030] Le carter désigne l'enveloppe autour du moteur, dans lequel s'écoule le flux d'air d'écoulement. Dans un turboréacteur, le carter guide le flux d'air secondaire autour de la partie centrale composée d'un compresseur, d'une chambre de combustion et d'une turbine, et dans laquelle s'écoule le flux primaire. [0031] Disposer l'échangeur dans le carter permet de maximiser les échanges de chaleur de l'échangeur de peau avec l'air d'écoulement. [0032] Avantageusement et selon l'invention, l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement est agencé au niveau d'une entrée d'air d'écoulement dans le carter du moteur de l'aéronef [0033] L'entrée d'air du carter est un positionnement privilégié pour maximiser les échanges thermiques et réduire les perturbations de l'air d'écoulement. En outre, la transmission de chaleur par l'huile permet une protection contre le givre de l'entrée moteur, qui est l'une des zones les plus soumises à la foimation de givre qui peut s'avérer dangereux pour le bon fonctionnement du moteur. [0034] Avantageusement et selon l'invention, l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement est agencé dans le carter après une soufflante du moteur de l'aéronef. [0035] Selon cet aspect de l'invention, l'échange thermique est maximisé car la soufflante du moteur crée des turbulences qui améliore la circulation de l'air [0036] Avantageusement et selon l'invention, l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement est composé d'une multitude d'éléments agencés à plusieurs emplacements sur le carter. [0037] Avantageusement et selon l'invention, l'échangeur de chaleur pressurisé/huile et l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement sont agencés en série. [0038] Le premier circuit d'huile, le deuxième circuit d'huile et le circuit de liaison peuvent ainsi former un circuit unique. [0039] Avantageusement et selon l'invention, l'échangeur de chaleur air pressurisé/huile et l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement sont agencés en parallèle. [0040] Le circuit de liaison peut par exemple être une cuve d'huile de laquelle l'huile sort pour entrer dans le premier et le deuxième circuit, et dans laquelle l'huile provenant du premier et deuxième circuit est reversée après le passage dans les échangeurs respectifs. [0041] Avantageusement et selon l'invention, le système de gestion thermique comprend un circuit de contournement de l'échangeur de chaleur air pressurisé/huile, configure pour être commandé par un module de contrôle de température de l'air pressurisé. [0042] La présence du circuit de contournement permet de contrôler la température de l'air pressurisé selon les besoins du système de conditionnement, en particulier selon la température souhaitée au niveau de l'arrivée d'air pressurisé et/ou la température souhaitée dans la cabine de l'aéronef. [0043] Le contournement peut être soit un contournement de l'air pressurisé (celui-ci ne passe donc pas dans l'échangeur de chaleur air pressurisé/huile) ou un contournement de l'huile (celle-ci ne passe donc pas dans l'échangeur de chaleur air pressurisé/huile), ou les deux. [0044] L'invention concerne également un aéronef comprenant au moins un moteur, au moins un compresseur et un système de conditionnement d'air selon l'invention. [0045] L'invention concerne également un système de conditionnement d'air et un aéronef, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. Liste des figures [0046] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : [0047] [fig.1] est une vue schématique d'un système de conditionnement d'air selon un premier mode de réalisation de l'invention. [0048] [fig.2] est une vue schématique d'un système de conditionnement d'air selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0049] Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention [0050] Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. [0051] En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures. 6 [0052] Les figures 1 et 2 illustrent un système 10 de conditionnement d'air selon un premier et un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0053] Le système 10 de conditionnement d'air permet la réfrigération et le conditionnement de l'air pour une cabine 100 d'un aéronef pendant le vol de celui-ci. L'aéronef comprend au moins un moteur 200. [0054] Dans ce mode de réalisation, le moteur 200 est de type turboréacteur double flux, comprenant un carter 202 entourant une turbomachine 204 comprenant classiquement un compresseur, une chambre de combustion et une turbine (non représentés). La turhomachine 204 génère un flux 206 primaire. Une soufflante 210 reliée à la turhomachine génère un flux secondaire entre la turbomachine 204 et le carter 202. Le flux 206 primaire et le flux 208 secondaire sont dirigés dans le sens des flèches les représentant et constituent un air d'écoulement du moteur. [0055] La turhomachine 204 est alimentée par au moins un circuit d'huile, permettant son bon fonctionnement. Cette huile chauffe pendant le fonctionnement du moteur et doit être refroidie. [0056] Le système 10 de conditionnement d'air est alimenté en air, dit air 12 pressurisé par un compresseur 14. Selon différents modes de réalisation de l'invention, le compresseur 14 peut faire partie du système de conditionnement et être principalement dédié à la fourniture de l'air 12 pressurisé, ou bien faire partie du moteur 200 de l'aéronef, en particulier peut être le compresseur de la turhomachine 204. Le compresseur est alimenté en air 16 prélevé. [0057] L'air 12 pressurisé est traité par un groupe 18 de conditionnement d'air permettant d'ajuster la température, la pression et l'humidité de l'air 12 pressurisé de sorte à obtenir de l'air conditionné qui pourra être envoyé dans la cabine de l'aéronef. Le groupe 18 de conditionnement d'air peut par exemple comprendre une boucle d'extraction d'eau pour réduire l'humidité de l'air, au moins une turbine pour réduire sa pression, au moins un échangeur pour contrôler sa température. [0058] Le système 10 de conditionnement d'air comprend un système de gestion thermique permettant de réduire la température de l'air 12 pressurisé. Le système de gestion thermique comprend au moins un échangeur 20 de chaleur ah- pressurisé/huile configuré pour assurer des échanges thermiques entre le flux d'air pressurisé et un circuit d'huile permettant de transférer une chaleur de l'air pressurisé à l'huile. L'huile circule dans un premier circuit d'huile et entre dans l'échangeur 20 de chaleur air pressurisé/huile par une entrée 20a d'huile et ressort par une sortie 20b d'huile. L'air 12 pressurisé entre dans l'échangeur 20 de chaleur air pressmisé/huile par une entrée 20c d'air pressurisé et ressort par une sortie 20b d'air pressurisé. [0059] L'air 12 pressurisé est ainsi refroidi au passage dans l'échangeur et transmet une partie de sa chaleur à l'huile. 7 [0060] Le système de gestion thermique est aussi configuré pour refroidir l'huile, et comprend ainsi au moins un échangeur de chaleur huile/air d'écoulement configuré pour assurer des échanges thermiques entre l'huile et l'air d'écoulement permettant de transférer la chaleur de l'huile à l'air d'écoulement. [0061] En particulier, dans cc mode de réalisation, l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement est composé d'une pluralité d'échangeurs de peau, dont quatre sont visibles ici : deux échangeurs 22a, 22h de peau sont situés au niveau d'une entrée 212 d'air moteur, à une extrémité du carter 202. Ces échangeurs peuvent ainsi avoir une fonction dégivrage qui empêche la formation de givre à l'entrée d'air moteur, une zone habituellement sensible aux risques de formation de givre. Deux échangeurs 22e, 22d de peau sont situés sur le carter 202 après la soufflante 210. [0062] L'huile circule dans un deuxième circuit d'huile et traverse chaque échangeur de peau. L'échangeur de peau permet un échange thermique avec l'air d'écoulement. Du fait de leur positionnement à l'intérieur du carter 202, les échangeurs 22a, 22h, 22c, 22d de peau échangent de façon privilégiée avec le flux 208 secondaire de l'air d'écoulement. [0063] La figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'échangeur 20 de chaleur air pressurisé/huile et les échangeurs 22a, 22h, 22e, 22d de peau formant l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement sont agencés en série : le premier circuit d'huile et le deuxième circuit d'huile forment un circuit 24 unique. [0064] En particulier, l'huile sortant de l'échangeur 20 de chaleur air pressurisé/huile par la sortie 20b est ensuite guidée vers un échangeur de peau, dans le même circuit d'huile. La chaleur récupérée par l'huile dans l'échangeur 20 de chaleur ah- pressurisé/huile est transmise directement à l'air d'écoulement pour réchauffer celui-ci (en refroidissant l'huile au passage). [0065] Dans ce mode de réalisation, selon la température souhaitée de l'air 12 pressurisé, des circuits de contournement peuvent être mis en place, par exemple via une vanne 21a de contournement pour éviter que l'huile ne passe dans l'échangeur 20 air pressurisé/huile, ou via une vanne 21b de contournement pour éviter que l'air 12 pressurisé ne passe dans l'échangeur 20 air pressurisé/huile, ou les deux comme représenté ici. [0066] La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'échangeur 20 de chaleur ah- pressurisé/huile et les échangeurs 22a, 22b, 22c, 22d de peau formant l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement sont agencés en parallèle. [0067] Le premier circuit 26 d'huile et le deuxième circuit 28 d'huile sont séparés mais reliés par un circuit 30 de liaison, qui peut être par exemple une cuve d'huile dans laquelle l'huile provenant de chaque circuit se mélange et équilibre sa température : l'huile provenant du premier circuit est réchauffée dans son passage par l'échangeur 20 8 de chaleur air pressurisé/huile et l'huile provenant du deuxième circuit est refroidie par l'échangeur de chaleur huile/air d'écoulement, et du fait du mélange dans la cuve d'huile, la température partant de la cuve vers les échangeurs est la même pour les deux circuits. 9