Brevet FR3128492A1 — publié le 20230428

Ce groupe auxiliaire de puissance pour un aéronef (1) muni d’un compresseur centrifuge à deux étages, ayant un port de prélèvement (7) pour la fourniture d’air sous pression à un système d’air de l’aéronef est situé entre l’étage amont (2) et l’étage aval (3), ce dernier étant muni à son entrée d’une grille de pré-rotation à calage variable. Figure pour l’abrégé : [Fig 3] GROUPE AUXILIAIRE DE PUISSANCE A COMPRESSEUR DE CHARGE INTEGRE La présente invention concerne les groupes auxiliaires de puissance (APU) pour un aéronef permettant de combler les besoins en fourniture d’air de l’aéronef essentiellement lorsqu’il est au sol, lorsque les moteurs principaux sont à l’arrêt ou pour démarrer un moteur principal équipé d’un démarreur pneumatique. En vol avec les moteurs principaux en fonctionnement, il peut y avoir également un besoin de prélever de l’air pour l’habitacle sur le compresseur de charge de l’APU, par exemple en cas de problème sur le prélèvement d’air des moteurs principaux de l’avion, ou en haute altitude. L’APU peut également fournir un supplément d’énergie électrique à l’aéronef, par exemple afin de compenser une diminution momentanée du prélèvement de puissance mécanique des génératrices électriques implantées sur les moteurs principaux. Également en cas de panne d’un moteur principal, l’APU est activé pour remplacer la génératrice du moteur en panne. Cette capacité est obligatoire pour les vols ETOPS (Extended-range Twin-engine Operation Performance Standards) et rend donc la disponibilité de l’APU indispensable pour ceux-ci, ajoutant des contraintes supplémentaires de certification de l’APU. La présente invention vise à constituer un groupe auxiliaire de puissance qui est particulièrement efficient. Techniques antérieures On connaît des APU pour aéronefs qui permettent de lui fournir un apport d’air. Deux types d’APU sont actuellement utilisés : les APU à prélèvement dans lesquels l’air fourni à l’aéronef est prélevé en sortie du compresseur de la turbomachine, et les APU à compresseur de charge dans lesquels l’air fourni est produit par un compresseur dédié, appelé compresseur de charge. Les APU à prélèvement sont peu performants en termes de rendement énergétique et d’encombrement à cause de la limitation du rapport de pression du compresseur à une valeur dictée par le niveau de pression requis par l’aéronef, de l’ordre de trois à quatre bars. Le rapport de pression du cycle thermodynamique s’en trouve alors limité à environ quatre. Cette configuration est donc traditionnellement réservée essentiellement aux petites machines (avions d’affaires, chasseurs). Dans les APU à compresseur de charge, celui-ci est entraîné par la turbomachine dédiée dont le rapport de pression n’est alors plus limité par le niveau requis de pression de l’air fourni à l’aéronef. Néanmoins, pour limiter le nombre total de composants et donc la masse, le coût et l’encombrement de l’APU, on utilise un compresseur centrifuge dont le taux de pression est limité typiquement aux alentours de huit. De plus, lorsqu’on n’a pas de demande d’air pour l’aéronef, il est nécessaire de conserver un débit minimum dans le compresseur de charge pour le refroidir afin d’éviter des dommages irréversibles (fusion par exemple), ce qui conduit à une puissance résiduelle absorbée typiquement de l’ordre de six pourcents de la puissance totale. D’autre part, le compresseur de charge nécessite généralement une entrée d’air double rallongeant la machine et conduisant souvent à l’implantation d’un palier entre les deux compresseurs pour des raisons de stabilité dynamique de la ligne d’arbre. L’invention a pour but de pallier au moins certains des inconvénients précités et de proposer un groupe auxiliaire de puissance pour aéronef capable de cumuler des avantages de puissance, de compacité et d’efficience pour sa mise en œuvre, et ce sur une grande plage de fonctionnement en débit. Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet un groupe auxiliaire de puissance muni d’un compresseur centrifuge à deux étages, ayant un port de prélèvement pour la fourniture d’air sous pression à un système d’air de l’aéronef situé entre l’étage amont et l’étage aval, ce dernier étant muni à son entrée d’une grille de pré-rotation à calage variable. De préférence, l’étage aval comporte un compresseur centrifuge haute pression et l’étage amont comporte un compresseur de charge basse pression monté coaxialement en série avec le compresseur haute pression. De plus, l’étage amont peut comporter également un compresseur de charge basse pression monté coaxialement en série avec le compresseur haute pression. Avantageusement, l’étage amont est également muni à son entrée d’une grille de pré-rotation à calage variable. Selon une forme de réalisation, le compresseur de charge basse pression est centrifuge et comporte un couvercle dans lequel est réalisé un prélèvement d’air pour améliorer la stabilité du compresseur. Dans un mode de réalisation, le couvercle est formé par un carter statorique qui entoure des aubes d’un rotor du compresseur de charge basse pression. Avantageusement, le port de prélèvement comporte, sur un port déjà prévu pour les besoins de l’aéronef, une dérivation vers une vanne de décharge dédiée à la régulation du compresseur de charge basse pression. De préférence, l’étage amont comporte un rouet permettant une diffusion radiale de l’air et la grille de pré-rotation à calage variable se situe axialement en aval dudit rouet. L'invention concerne également un groupe auxiliaire de puissance dans lequel la grille de pré-rotation à calage variable de l’étage aval est calée selon un angle de sensiblement moins cinq degrés d’angle par rapport à la verticale en l’absence de prélèvement d’air pour l’aéronef, et selon un angle de sensiblement quarante-cinq degrés d’angle par rapport à la verticale lors de prélèvement d’air pour l’aéronef. Il peut également être prévu que la grille de pré-rotation à calage variable de l’étage amont soit calée selon un angle de sensiblement quarante degrés d’angle par rapport à la verticale en l’absence de prélèvement d’air pour l’aéronef, et selon un angle de zéro à cinquante degrés d’angle par rapport à la verticale lors de prélèvement d’air pour l’aéronef. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée des dessins annexés, sur lesquels : représente l’implantation d’un groupe auxiliaire de puissance à prélèvement selon l’état de la technique. représente l’implantation d’un groupe auxiliaire de puissance à compresseur de charge selon l’état de la technique. représente un schéma d’implantation du groupe auxiliaire de puissance de l’invention. Groupe auxiliaire de puissance pour un aéronef (1) muni d’un compresseur centrifuge à deux étages, caractérisé en ce qu’un port de prélèvement (7) pour la fourniture d’air sous pression à un système d’air de l’aéronef est situé entre l’étage amont (2) et l’étage aval (3), ce dernier étant muni à son entrée d’une grille de pré-rotation à calage variable. Groupe auxiliaire de puissance (1) selon la revendication 1, dans lequel l’étage aval (3) comporte un compresseur centrifuge haute pression et l’étage amont (2) comporte un compresseur de charge basse pression monté coaxialement en série avec le compresseur haute pression. Groupe auxiliaire de puissance (1) selon la revendication 2, dans lequel l’étage amont (2) est également muni à son entrée d’une grille de pré-rotation à calage variable. Groupe auxiliaire de puissance (1) selon la revendication 2, dans lequel le compresseur de charge basse pression est centrifuge et comporte un couvercle dans lequel est réalisé un prélèvement d’air pour améliorer la stabilité du compresseur. Groupe auxiliaire de puissance (1) selon la revendication 4, dans lequel le couvercle est formé par un carter statorique qui entoure des aubes d’un rotor du compresseur de charge basse pression. Groupe auxiliaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le port de prélèvement (7) comporte, sur un port déjà prévu pour les besoins de l’aéronef, une dérivation vers une vanne de décharge dédiée à la régulation du compresseur de charge basse pression. Groupe auxiliaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étage amont (2) comporte un rouet permettant une diffusion radiale de l’air et la grille de pré-rotation à calage variable se situe axialement en aval dudit rouet. Groupe auxiliaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grille de pré-rotation à calage variable de l’étage aval (3) est calée selon un angle de sensiblement moins cinq degrés d’angle par rapport à la verticale en l’absence de prélèvement d’air pour l’aéronef, et selon un angle de sensiblement quarante-cinq degrés d’angle par rapport à la verticale lors de prélèvement d’air pour l’aéronef. Groupe auxiliaire de puissance (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étage amont (2) est muni d’une grille de pré-rotation à calage variable qui peut être calée selon un angle de sensiblement quarante degrés d’angle par rapport à la verticale en l’absence de prélèvement d’air pour l’aéronef, et selon un angle de zéro à cinquante degrés d’angle par rapport à la verticale lors de prélèvement d’air pour l’aéronef.