Brevet FR3089204A1 — publié le 20200605

Description Titre de l'invention : Système de gestion d'air notamment pour pack de conditionnement d'air et dégivrage [0001] DOMAINE TECHNIQUE GENERAL [0002] L'invention concerne l'alimentation en air des packs de conditionnement d'air, appelé pack ECS (« environmental control system » que l'on traduit par système de régulation d'air), c'est-à-dire les systèmes qui gèrent et régulent l'air de la cabine, entre autres, d'un aéronef, ainsi que la gestion des fonctions anti-givrage de la nacelle d'une turbomachine (appelé « NAI » pour « Nacelle Anti-Ice ») de l'aéronef et/ou des becs des ailes de cc dernier (appelé « WIPS » pour « Wing [ce Protection System » ou WAI pour « Wing Anti-Ice »). [0003] ETAT DE L'ART [0004] Dans les architectures dites « bleed », c'est-à-dire avec un prélèvement d'air au niveau du moteur (sur une turbomachine, notamment au niveau d'un ou de plusieurs étages de compresseur), le débit de l'air prélevé est établi pour différents besoins, dont le besoin de renouvellement et de conditionnement de l'air cabine fourni par le pack ECS, le besoin d'antigivragc de la nacelle et le besoin de dégivrage ou antigivragc des ailes et d'autres systèmes avion. [0005] En référence à la figure 1, l'architecture de référence consiste à prélever de l'air (haute et moyenne pression) de la turbomachine Al, à environ 250°C, puis le faire passer à travers un prérefroidisseur (échangeur air/air) A2 (appelé « Precooler ») où il est refroidi jusqu'à 175'C-180°C par de l'air prélevé également d'une veine secondaire A3 (dans le cadre de la turbomachine à double flux). A la sortie du recoolcr A2, une partie de Fair prélevé (« bleed air ») sert à dégivrer la nacelle A4 (fonction NAI), et l'autre partie sert à assurer les besoins pneumatiques de l'avion, comme le dégivrage WIPS des ailes A5 et aussi le pack ECS A6, qui alimente ensuite en air la cabine A7 de l'aéronef Il s'agit d'un fonctionnement en parallèle, puisque l'air utilisé pour chacune de fonctions (NAI, ECS, WIPS, etc.) est ensuite en évacué vers l'extérieur, ce qui constitue une perte nette en matière de rendement pour la turbomachine. En effet, les systèmes NAI et WIPS utilisent généralement des tubes Piccolo qui soufflent de l'air chaud sur les surfaces à protéger contre le givre, qui est perdu. [0006] A l'entrée du système ECS A6, l'air est refroidi (par exemple par un système Brayton inverse ou par un condensateur vapeur) à une température comprise entre -5 et 5 °C. [0007] D'autres technologiques plus électriques existent pour réduire ces prélèvements d'air moteur qui nuisent aux performances de la turbomachine. Ces différentes solutions sont envisagées séparément et non avec une vision d'intégration énergétique globale. 2 Au-delà d'assurer un débit d'air pour ces différents systèmes, la protection contre le givre réclame des calories (besoin thermique), là où le système de renouvellement d'air exige un niveau de pression pour l'air prélevé. Aujourd'hui la réponse à ces deux besoins n'est pas découplée ce qui implique des pertes importantes au niveau du conditionnement du prélèvement pour les besoins de l'avion. [0008] Par ailleurs, les futurs avions introduisent des nouveaux modes de fonctionnement des turbomachines qui leurs permettent de baisser fortement leurs niveaux de ralenti, notamment dans les phases de descente. Pourtant, la nacelle nécessite toujours d'être protégée contre le givre lors de ces phases, or dans un fonctionnement à des niveaux de ralentis très bas, les températures de l'air prélevé dans la turbomachine ne permettent plus de répondre à cette fonction. Une des solutions est d'opter pour des tapis chauffants électriques, alimentés par une autre source électrique, qui viennent chauffer directement le bord d'attaque en étant disposé directement sur le matériau ou dans le matériau formant le bord d'attaque. [0009] La tendance aujourd'hui est à l'électrification, sans prélèvement d'air du moteur pour alimenter le pack ECS. Il faut alors des compresseurs supplémentaires d'air très volumineux et lourds dans l'aéronef. [0010] Un des problèmes résident donc dans le fait que, pour le pack ECS, une certaine pression est requise, à une température pas trop chaude, alors que pour la fonction NAI, il est nécessaire d'avoir une certaine température. Exposé de l'invention [0011] La présente invention vise à répondre à certaines des limitations de l'art antérieur. [0012] A cet égard, l'invention propose un système de gestion d'air pour aéronef, comprenant : - un bord d'attaque de nacelle de turbomachine ou d'aile d'avion, - une entrée d'air, dans lequel le bord d'attaque comprend un échangeur, l'échangeur étant connecté avec l'entrée d'air, de sorte qu'en fonctionnement, l'entrée d'air est alimentée avec l'air issu de l'échangeur. [0013] Ainsi, la chaleur de l'air entrant dans l'échangeur permet de dégivrer le bord d'attaque et le refroidissement induit de cet air permet de diminuer la température de l'air entrant dans l'entrée d'air, cette entrée d'air étant par exemple celle d'un pack de conditionnement d'air ECS. [0014] Le système de gestion d'air comprend avantageusement un prélèvement d'air moteur, configuré pour prélever un flux d'air dans une turbomachine, ledit prélèvement d'air moteur étant connecté à l'échangeur pour l'alimenter en air, de sorte que le prélèvement d'air moteur, l'échangeur et l'entrée d'air de pack de conditionnement d'air 3 ECS soit pneumatiquement agencés en série dans cet ordre. [0015] Le prélèvement d'air moteur est par exemple effectué à un étage de compression cor- respondant à une pression comprise entre 1 et 5 bars, de préférence comprise entre 1 et 2 bars (pour les packs dits « plus électriques ») ou à une pression comprise entre 4 et 5 bars (pour les packs dits « pneumatiques »). L'emplacement du prélèvement d'air moteur dépend du type de pack ECS utilisé plus électrique ou pneumatique (qui ne requière pas tous les mêmes pressions et/ou températures). L'utilisation d'une technologie de pack ECS mixant électrique et pneumatique permet une compression correspondant à une pression allant de 1 à 5 bars. [0016] Dans cette description, on entend par « pack ECS plus électrique », un pack qui requiert toujours un prélèvement d'air sur le moteur et qui le conditionne pour répondre aux besoins cabine grâce à l'énergie électrique. Il existe des packs ECS tout électrique qui ne requiert pas de prélèvement d'air sur le moteur mais opèrent uniquement avec de l'air prélevé directement à l'extérieur de l'aéronef. [0017] Le système peut outre comprend un precooler relié à l'échangeur, de sorte que le precooler, l'échangeur et l'entrée d'air de pack ECS soient pneumatiquement agencés en série dans cet ordre. [0018] L'échangeur est préférablement un échangeur air-air, configure pour permettre un échange de chaleur avec un flux d'air libre via le bord d'attaque à dégivrer. Cet échangeur peut être surfacique. [0019] Enfin, dans un mode de réalisation, le système comprend une source de chaleur configurée pour réchauffer l'air circulant dans l'échangeur. Cette source de chaleur est préférablement électrique (par exemple un ou plusieurs tapis électriques formés de résistances, positionnés dans ou autour une conduite d'air transportant le flux d'air destiné à l'échangeur). Cet apport en chaleur peut être nécessaire lorsque le prélèvement d'air moteur se fait à une pression basse, donc à une température basse, insuffisante pour dégivrer la nacelle. [0020] La source de chaleur peut être positionné en amont de l'échangeur, dans le sens d'écoulement de l'air. [0021] L'invention concerne en outre un ensemble comprenant un système tel que décrit précédemment et un pack de conditionnement d'air ECS alimenté par l'entrée d'air du pack de conditionnement d'air ECS. [0022] Dans un mode de réalisation le pack de conditionnement d'air ECS est un pack pneumatique, par exemple de type à Brayton inverse. Dans un autre mode de réalisation, le pack de conditionnement d'air ECS est un pack plus électrique, par exemple à compression vapeur, c'est-à-dire un pack électrique utilisant quand même un prélèvement d'air moteur. [0023] Enfin, l'invention concerne une turbomachine comprenant : - un système de gestion d'air tel que décrit précédemment, - une nacelle comprenant le bord d'attaque, - un étage de compression au niveau duquel se trouve le prélèvement d'air moteur, dans lequel le prélèvement d'air moteur, l'échangeur et l'entrée cl'air sont pneumatiquement agencés en série. Brève description des dessins [0024] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : [0025] [fig.11 La figure 1 illustre schématiquement unc architecture de gestion d'air de l'état de l'art, [0026] [fig.2[ La figure 2 illustre schématiquement unc architecture de gestion d'air selon un mode de réalisation de l'invention, [0027] [fig.3[ La figure 3 illustre schématiquement un échangeur utilisable dans le cadre de la figure 2. Description des modes de réalisation [0028] Un système de gestion 10 pour pack de conditionnement d'air 20 ou encore pack de système de contrôle environnemental (traduction de ECS en français - on l'appellera par ailleurs pack ECS 20 par la suite) d'un aéronef va à présent être décrit, en référence à la figure 2. Ce système de gestion 10 fait intervenir une turbomachine 1, dont sa nacelle 100 et/ou une aile de l'aéronef. [00291 La description sera faite pour un système de gestion 10 appliqué à une bord d'attaque 110 de la nacelle 100 de la turbomachine 1. Toutefois, elle est applicable pour un bord d'attaque d'aile d'aéronef (non illustré), sous réserve naturellement de l'implémentation des conduits pneumatiques adaptés, notamment avec une circulation fermée de Fair chaud. [00301 Le système de gestion d'air 10 pour pack ECS 20 comprend donc un bord d'attaque 110 de la nacelle 100 de turbomachine, ainsi qu'une entrée d'air 22 de pack ECS 20. Le pack ECS 20, disposé en aval (dans le sens d'écoulement d'air) du système de gestion d'air 10, est un élément connu des aéronefs, comme expliqué en introduction. 11 comprend divers éléments (compresseurs, turbines, valves, échangeurs, etc.) et ne sera donc pas détaillé ici. [00311 Le bord d'attaque 110 de la nacelle 100 comprend un échangeur 112 connecté (par une conduite) à l'entrée d'air 22 de packs ECS 20. Cet échangeur 112 reçoit de l'air chaud depuis un prélèvement d'air moteur 12 (via une conduite), et échange avec l'air froid au contact du bord d'attaque 110. La chaleur de l'air circulant dans l'échangeur 112 permet de réchauffer le bord d'attaque 110 et donc de permettre un dégivrage, tandis que l'air extérieur permet de refroidir l'air chaud circulant dans l'échangeur 112. Il s'agit donc d'un échangeur air-air, préférablement surfacique. Cet échangeur 112 fait partie d'un dispositif NAI. [0032] Ainsi, en sortie de l'échangeur 112, l'air a été refroidi, ce qui signifie que l'air arrivant au niveau de l'entrée d'air 22 du pack ECS 20 est plus froid. [0033] A titre d'exemple, dans certaines conditions de vol et certaines phases de la mission, l'air entrant dans l'échangeur 112 est à 180°C et il ressort entre 1100 et 140°C. Ensuite, le pack ECS est sollicité pour in fine conditionner l'air cabine. Par conséquent, il y a un écart de 70° à 40°C par rapport à un système de gestion d'air sans échangeur 112. Ainsi, le pack ECS 20 travaille sur un écart de température inférieur : il peut donc être sous-dimensionné par rapport aux packs ECS de l'art antérieur et il consomme moins. On gagne ainsi en compacité (volume, masse, etc.), en énergie, avec toutes les conséquences positives que cela peut avoir sur un aéronef (plus de place, moins de poids, etc.). [0034] En amont de l'échangeur 112, le système de gestion d'air 10 comprend le pré- lèvement d'air moteur 12 sur la turbomachine 1, configure pour prélever un flux d'air qui va alimenter l'échangeur 112, puis en aval le système de gestion d'air 10, puis encore en aval le pack ECS 20. Ce prélèvement d'air moteur 12 se fait au niveau d'un étage de compression. En fonction du type de pack ECS utilisé, l'emplacement du prélèvement d'air moteur 12 varie. [0035] Le prélèvement d'air moteur 12, l'échangeur 112 et l'entrée d'air 22 du pack ECS 20 sont disposés en série : l'air transite successivement (dans cet ordre) par ces trois éléments. [0036] On distingue deux grands types de packs ECS : le pack pneumatique, dit classique, qui fonctionne généralement avec un système Brayton inverse, et le pack électrique, dont le développement est plus récent, qui fonctionne généralement avec une compression vapeur. Ces deux packs ne nécessitent pas les mêmes apports en air. En particulier, le pack pneumatique a besoin d'une pression au niveau de l'entrée d'air 22 du pack ECS 20 comprise entre 4 et 5 bars lors que le pack plus électrique a besoin d'une pression de fonctionnement plus faible. [0037] On rappelle qu'on entend par « pack ECS plus électrique », un pack qui requiert toujours un prélèvement d'air sur le moteur et qui le conditionne pour répondre aux besoins cabine grâce à l'énergie électrique. Il existe des packs ECS tout électrique qui ne requiert pas de prélèvement d'air sur le moteur mais opèrent uniquement avec de l'air prélevé directement à l'extérieur de l'aéronef. On peut aussi parler de packs ECS 6 semi-électrique. [0038] En fonction du besoin de pression, l'emplacement du prélèvement d'air moteur 12 diffère : plus la pression doit être élevée, plus le prélèvement se fait dans des étapes de compression élevée. [0039] En fonction des températures de l'air prélevé dans la turbomachine, un precooler 14 (pré-refroidisseur, mais le ternie anglais est utilisé couramment) est prévu, pour abaisser la température à moins de 180°C (conformément aux règlementations). Il est positionné en aval du prélèvement d'air moteur 12 et en amont de l'échangeur 112. Ce precooler 14 est standard et ne sera pas détaillé. [0040] Dans le cas d'un pack ECS plus électrique, le precooler 14 peut être bypassé lorsque les conditions d'opération font que la température du prélèvement d'air moteur 12 est inférieure à 180°C. Un circuit de dérivation 16 est donc prévu, qui contourne le precooler 14 et connecte le prélèvement d'air moteur 12 à l'échangeur 112 du bord d'attaque 110 de la nacelle 100. [0041] Ce circuit de dérivation 16 peut être aussi prévu dans le cas d'un pack ECS pneumatique, pour s'adapter aux différents modes opérationnels. [0042] Dans le cas d'un pack ECS plus électrique, on connait des fonctions NA!, c'est-à-dire de dégivrage de la nacelle, entièrement électrique. Dans le cadre de la présente description, la fonction NAT est assurée par l'échangeur 112. Toutefois (et même dans le cas de pack ECS pneumatique), il se peut que la température de l'air prélevé ne soit pas suffisante pour assurer le dégivrage (notamment pendant certaines phases de vol). A cette fin, il est proposé de prévoir une source chaude 30 configurée pour réchauffer l'air traversant l'échangeur 112. La source chaude 30 est préférablement électrique. La source chaude 30 électrique peut comprendre un jeu de résistances électriques. La source chaude 30 électrique peut avoir la forme d'un ou plusieurs tapis électriques, disposés dans une conduite 32 acheminant de l'air. Cette conduite 32 peut faire partie de l'échangeur 112 ou bien être en amont de ce dernier (comme illustré en figure 2). Différents agencements de la source chaude 30 électrique sont possibles, pour homogénéiser au maximum la diffusion de la chaleur dans la conduite 32. [0043] La source chaude 30 est alimentée par différents moyens ou une combinaison entre ces différents moyens : prélèvement mécanique direct ou indirect (génératrice, turbine de détente auxiliaire, etc.), voire par une source électrique secondaire [0044] L'activation et l'arrêt de la source chaude 30 sont pilotés par une unité de contrôle, qui peut prendre en compte différentes données : température de l'air au prélèvement, vitesse angulaire du compresseur, altitude, température extérieure, Mach, humidité, etc. [0045] La source chaude 30 peut être bypassée par une conduite de dérivation 34. [0046] Il est ainsi possible de découpler le besoin en température et le besoin en pression : 7 on prélève ce qu'il faut en matière de débit et de pression par le prélèvement d'air moteur 12 et la question de la température, si cette dernière n'est pas suffisante, est gérée par la source chaude 30. [0047] En référence à la figure 3, un échangeur 112 dans un bord d'attaque 110 d'une nacelle 100 est illustré. L'échangeur 112 est formé par une peau externe 114, au contact de l'air extérieur, et une peau interne 116, au contact du flux primaire/secondaire. Entre ces deux peaux, des cavités sont définies pour la circulation de l'air issu du prélèvement d'air moteur 12. Ce type d'échangeurs est connu dans des applications autres que les ailes ou les nacelles. Il ne sera pas détaillé ici. [0048] Comme indiqué précédemment, le système de gestion d'air pour pack ECS 20 peut utiliser un échangeur dans le bord d'attaque d'une aile d'avion ou toute autre surface de l'aéronef nécessitant un système d'and-givrage/dégivrage comme les entrées d'air. L'aile d'avion peut supporter la turbomachine 1 ou bien ne pas la supporter (turbomachine 1 attaché au fuselage arrière). 8