Brevet FR3127261A1 — publié le 20230324

L’invention concerne un dispositif de compression d’air (401) pour un aéronef. Le dispositif décrit comprend un compresseur électrique (403) configuré pour générer, au niveau d’une première sortie d’air (405), par l’intermédiaire d’une première roue de compression (407) montée sur un premier arbre (409) entrainé par un moteur électrique (411), un premier flux d’air comprimé (413), et un turbocompresseur (415) comprenant une seconde roue de compression (417) et une turbine (419) montées sur un second arbre (421), et configuré pour générer, au niveau d’une seconde sortie d’air, par l’intermédiaire de la seconde roue de compression (417), un second flux d’air comprimé (423). En outre, le turbocompresseur (415) est indépendant et séparé du compresseur électrique (403) et la seconde roue de compression (417) est alimentée par le premier flux d’air comprimé (413) issu de la première sortie d’air (405) du compresseur électrique (403). Figure pour l'abrégé : Figure 4 DISPOSITIF DE COMPRESSION D’AIR POUR UN AERONEF Domaine technique de l'invention L’invention est relative au domaine des systèmes utilisés pour comprimer l’air dans un véhicule et se rapporte, en particulier, à un dispositif de compression d’air pour un aéronef. Arrière-plan technique Certains aéronef actuels sont dits « bleedless » c’est-à-dire qu’ils n’utilisent pas un prélèvement d’air, et plus particulièrement un prélèvement d’air comprimé et chauffé produit par une turbine à gaz, pour alimenter des systèmes de l’aéronef tel que le système de pressurisation de cabine par exemple. Ce type de fonctionnement pour un aéronef permet notamment d'économiser du carburant en réduisant la masse de l'aéronef. Dans ce contexte, il est connu d’utiliser un compresseur électrique pour produire l’air comprimé qui est utilisé dans les systèmes de l’aéronef et qui n’est plus issu d’un prélèvement d’air moteur. A titre d’exemple, la illustre de manière schématique le fonctionnement d’un dispositif de compression d’air 101 qui est un compresseur électrique. Dans ce compresseur électrique, le flux d’air 103, admis au niveau de l’entrée d’air 105, est comprimé par la roue de compression 107. On parle de compresseur électrique dans la mesure où la roue de compression 107 est montée sur un arbre 109 qui est solidaire d’un rotor 119 d’un moteur électrique 111. Dans l’exemple représenté, le flux d’air comprimé 113, émis au niveau de la sortie d’air 115, alimente un système 117 d’un aéronef (non-représenté) qui requiert de l’air comprimé pour son fonctionnement. A titre d’exemple, une description plus détaillée d’un tel compresseur électrique peut être trouvée dans le brevet FR-B1-3 045 111 notamment. Typiquement, pour un compresseur électrique tel que celui-ci, le taux de compression (c’est-à-dire le ratio de la pression de l’air en sortie du dispositif sur la pression de l’air en entrée du dispositif) atteignable est, par exemple, de 3,5 au maximum. Toutefois pour atteindre une telle valeur, le compresseur électrique doit consommer, à titre d’exemple, une puissance d’environ 8 kilowatts et la température de l’air en circulant de le compresseur électrique qui réalise un tel taux de compression, passe de la température ambiante (environ 20°C) au niveau de l’entrée d’air à une température élevée (par exemple d’environ 300°C) au niveau de la sortie d’air du compresseur électrique du fait du taux de compression. De ce fait, un tel compresseur électrique peut requérir l’utilisation d’un système de refroidissement dédié c’est-à-dire un système de refroidissement actif additionnel au compresseur électrique, qui fournit un gaz ou un liquide au compresseur électrique adapté pour refroidir ses composants et en particulier le moteur et l’électronique de puissance pour éviter sa dégradation. En outre, certains dispositifs de compression d’air utilisent également une turbine pour récupérer l’énergie de l’air en sortie du système de l’aéronef alimenté par le flux d’air comprimé et ainsi améliorer le rendement du dispositif. La illustre un exemple d’un tel dispositif de compression d’air 201 dans lequel le flux d’air 203, admis au niveau de l’entrée d’air 205, est comprimé par la roue de compression 207. La roue de compression 207 est entrainée par un moteur électrique 219 et elle est configurée pour générer un flux d’air comprimé 209a au niveau de la sortie d’air 211 du dispositif de compression d’air 201. En outre, après avoir alimenté un système 213 de l’aéronef, le flux d’air comprimé 209b, en sortie du système ,est récupéré par une turbine 215 qui est intégrée au dispositif de compression d’air 201. La roue de compression 207 et la turbine 215 sont montée sur la même arbre 217 du dispositif de compression d’air 201. Et la turbine permet de récupérer une partie de l’énergie utilisée pour alimenter un système d’un aéronef. Du fait de l’amélioration du rendement obtenu grâce à l’utilisation de la turbine, un tel dispositif permet d’obtenir un taux de compression plus élevée pour une même puissance consommée. Toutefois, dans cette configuration aussi, la température du flux d’air comprimé généré en sortie, est très élevée, par exemple autour de 250°C, et peut donc nécessiter l’utilisation d’un système de refroidissement dédié pour refroidir certains composants du dispositif de compression d’air. Les figures 3A et 3B représentent des dispositifs de compression d’air dits compresseurs bi-étagés comportant respectivement un refroidissement par air et un refroidissement par eau. Un tel dispositif est également appelé un moto-turbo-compresseur. Certains éléments ne sont visibles que sur l’une des deux figures et les éléments ayant la même fonction ont la même référence dans les figures. Pour les dispositifs de compression d’air 301 et 303, le flux d’air admis au niveau de l’entrée d’air 305 est comprimé par la roue de compression 307. Le flux d’air comprimé 309a sort par la sortie d’air 311 et alimente en air comprimé un système 313 d’un aéronef (non représenté). En outre, le flux d’air comprimé 309b en sortie du système 313 est récupéré au niveau d’une entrée d’air 311 d’une turbine 313. La roue de compression 307 et la turbine 313 sont montées sur un même arbre solidaire d’un rotor à aimant permanent 315 qui est entraîné en rotation par le champ magnétique généré par un stator 317. Le stator 317 et le rotor à aimant permanent 315 forment un moteur électrique 321. Enfin, les dispositifs de compression d’air 301 et 303 intègrent tous les deux au moins une entrée/sortie 319 destinée à permettre l’admission/l’éjection d’air ou d’eau de refroidissement, par exemple à température ambiante, dans le dispositif. En effet, les dispositifs de compression d’air décrits requièrent l’utilisation d’un système de refroidissement dédié pour éviter la détérioration de certains composants du fait de température trop élevées pour être supportées par lesdits composants. Une variante possible d’un tel dispositif de compression d’air, permettant à la fois de conserver un rendement élevé et d’atteindre des taux de compression élevés également, consiste à intégrer une turbine à un compresseur électrique dit multi-étagé c’est-à-dire un compresseur électrique intégrant plusieurs roues de compression en série. En particulier, l’ajout d’une turbine entraîne des difficultés techniques d’intégration importante dans la mesure où la réalisation d’un arbre avec trois étages est particulièrement complexe. Dans toutes les solutions décrites plus haut, les dispositifs de compression d’air connus impliquent l’utilisation de systèmes de refroidissement dédiés dès lors qu’ils visent des taux de compression élevés (par exemple des taux supérieurs ou égaux à 3,5) et des puissances consommées limitées (inférieures ou égales à 3 kilowatts). La présente invention propose une solution à ces inconvénients. À cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif de compression d’air pour un aéronef, comprenant : - un compresseur électrique configuré pour générer, au niveau d’une première sortie d’air, par l’intermédiaire d’une première roue de compression montée sur un premier arbre entrainé par un moteur électrique, un premier flux d’air comprimé, et - un turbocompresseur comprenant une seconde roue de compression et une turbine montées sur un second arbre, et étant configuré pour générer, au niveau d’une seconde sortie d’air, par l’intermédiaire de la seconde roue de compression, un second flux d’air comprimé, ledit dispositif de compression d’air étant caractérisé en ce que le turbocompresseur est indépendant et séparé du compresseur électrique et en ce que la seconde roue de compression est alimentée par le premier flux d’air comprimé issu de la première sortie d’air du compresseur électrique. Le dispositif de compression d’air selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - le second flux d’air comprimé est destiné à alimenter au moins un système de l’aéronef compris parmi un système de pressurisation d’une cabine, un système d’inertage d’un réservoir et une pile à combustion. - le compresseur électrique est mono-étagé. - le compresseur électrique est dépourvu d’un système de refroidissement dédié. - le turbocompresseur est mécanique. - le turbocompresseur est adapté pour supporter des températures élevées, de préférence jusqu’à 600°C. - le compresseur électrique est configuré pour réaliser un premier taux de compression déterminé. - le turbocompresseur est configuré pour réaliser un second taux de compression déterminé. L’invention concerne également, selon un second aspect, un aéronef comprenant un dispositif de compression d’air selon le premier aspect. De manière optionnelle, l’aéronef peut comprendre des éléments refroidis par un flux d’air issu de la turbine du turbocompresseur. Brève description des figures La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels : la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un dispositif de compression d’air pour un aéronef selon l’art antérieur ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un dispositif de compression d’air pour un aéronef selon l’art antérieur ; la est une vue en perspective en coupe partielle d’un mode de réalisation d’un dispositif de compression d’air pour un aéronef selon l’art antérieur ; la est une vue en perspective d’un mode de réalisation d’un dispositif de compression d’air pour un aéronef selon l’art antérieur ; et, la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un dispositif de compression d’air pour un aéronef selon l’invention. Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation ont les mêmes références dans les figures. Dispositif de compression d’air (401) pour un aéronef, comprenant : - un compresseur électrique (403) configuré pour générer, au niveau d’une première sortie d’air (405), par l’intermédiaire d’une première roue de compression (407) montée sur un premier arbre (409) entrainé par un moteur électrique (411), un premier flux d’air comprimé (413), et - un turbocompresseur (415) comprenant une seconde roue de compression (417) et une turbine (419) montées sur un second arbre (421), et étant configuré pour générer, au niveau d’une seconde sortie d’air, par l’intermédiaire de la seconde roue de compression (417), un second flux d’air comprimé (423), ledit dispositif de compression d’air (401) étant caractérisé en ce que le turbocompresseur (415) est indépendant et séparé du compresseur électrique (403) et en ce que la seconde roue de compression (417) est alimentée par le premier flux d’air comprimé (413) issu de la première sortie d’air (405) du compresseur électrique (403). Dispositif de compression d’air (401) selon la revendication 1, dans lequel le second flux d’air comprimé (423) est destiné à alimenter au moins un système (429) de l’aéronef compris parmi un système de pressurisation d’une cabine, un système d’inertage d’un réservoir et une pile à combustion. Dispositif de compression d’air (401) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le compresseur électrique (403) est mono-étagé. Dispositif de compression d’air (401) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le compresseur électrique (403) est dépourvu d’un système de refroidissement dédié. Dispositif de compression d’air (401) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le turbocompresseur (415) est mécanique. Dispositif de compression d’air (401) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le turbocompresseur (415) est adapté pour supporter des températures élevées, de préférence jusqu’à 600°C. Dispositif de compression d’air (401) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le compresseur électrique (403) est configuré pour réaliser un premier taux de compression déterminé. Dispositif de compression d’air (401) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le turbocompresseur (415) est configuré pour réaliser un second taux de compression déterminé. Aéronef comprenant un dispositif de compression d’air (401) selon l’une quelconque des revendications précédentes. Aéronef selon la revendication 9, ledit aéronef comprenant des éléments refroidis par un flux d’air issu de la turbine (419) du turbocompresseur (415).