FR2829464A1 - Procede et dispositif de conditionnement d'air de cabine d'aeronef - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de conditionnement d'air pour cabine (30) d'aéronef comprenant au moins deux turbomachines (1, 2) distinctes dont l'une au moins est motorisée. Lorsque l'écart de pression entre la cabine et l'atmosphère est supérieur à un seuil supérieur d'écart de pression, on active un mode économique, dans lequel le deuxième étage de turbine (23) est alimenté exclusivement par un débit d'air provenant de la cabine (30). Lorsque l'écart de pression est inférieur à un seuil inférieur d'écart de pression, on active un mode froid, dans lequel les étages de compression (11, 21) des turbomachines (1, 2) sont reliés en série. On ajuste la vitesse d'entraînement d'au moins un moteur (12, 22) de façon à ajuster la puissance frigorifique délivrée.

Description

J

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONDITIONNEMENT

D'AIR DE CABINE D'AERONEP

L' invention c oncerne un procédé et un dispo sitif de conditionnement d'air p our contrôler la temp érature et la pres sion de l' air dans une cabine d'aéronef à partir d'une source d'air extérieur, notarnment l'air sous pression dynamique prélevé par au moins une bouche d'entrée d'air ménagée

dans la paroi extérieure de l'aéronef.

Jusqu'à présent, les systèmes de conditionnement d'air utilisés pour les cabines d'avions sont du type dit à énergie pneumatique, c'est-à-dire sont alimentés par de l'air sous pression prélevé sur les étages de compression des turboréacteurs principaux de motorisation de l'avion. Cet air comprimé est refroidi dans au moins un étage de turtine. De très nombreux systèmes différents de ce type ont été proposés jusqu'à maintenant. Par exemple, CA-687 482 décrit un dispositif comprenant deux ensembles comprenant chacun un étage de turbine et un étage de compression accouplés par un arDre l'un à l'autre. Dans de nombreux systèmes connus, un échangeur de chaleur est interposé entre un étage

de compression et l'étage de turbine pour forrner une unité de type dite "boot-

strap". Néanmoins, ces systèmes de conditionnement d'air connus à énergie pnenmatique sont conçus et optimisés essentiellement pour présenter les meilleurs rendements dans les conditions de refroidissement maximal, de sorte qu'ils sont relativement complexes, lourds, et coûteux en énergie pour permettre d'obtenir, lorsque cela est nécessaire, ce retroidissement maximal. Or, ce retroidissement maximal ne doit étre réalisé que pour une faible fraction de la durée d'utilisation, en général uniquement lorsque l'aéronef est au sol ou à faible altitude. Du point de vue de la conception des turboréacteurs de motorisation de l'aéronef, ces systèmes de conditionnement d'air connus affectent le fonctionnement et le rendement global des turboréacteurs, et pénalisent leur consommation en carburant et leur dimensionnement. Pour la plus grande partie des plages de fonctionnement de l' aéronef, le prél èvement d' air ré alis é en un point permettant d'obtenir le reDroidissement maximum, entraîne un gaspillage énergétique. Par ailleurs, les systèmes de conditionnement d' air en eux mêmes, doivent être surdimensionnés et présentent, pour la plus grande part de leur plage de fonctionnement, un rendement dégradé. On a déjà pensé à proposer des systèmes de conditionnement d'air à énergie non pneumatique, c'est-à-dire dont les moyens de conpression d'air sont entra^inés par des moyens moteurs à énergie non pnenmatique, et notamment à énergie électrique, hydraulique, ou à combustion interne. Mais, ces systèmes se heurtent aux mêmes problèmes que celui mentionné ci- dessus, c'est à-dire que les moyens moteurs doivent être conçus et optimisés pour pouvoir fournir le refroidissement maximum, et ont leurs performances et leur rendement dégradés dans la plage de fonctionnement la plus courante de l'aéronef. De surcro^it, la jonction de moyens moteurs spécifiques comparée à la puissance que ceux-ci do*ent délivrer en régime maximum, représentent une charge pondérale importante, de sorte que jusqu'à maintenant, les systèmes de conditionnement d'air à énergie non pneumatique sont considérés comme étant non compétitifs par rapport à ceux à énergie pneumatique, et ne font donc pas l'objet d'une

exploitation pratique courante.

Ainsi, FR-2 609 686 ou US-4 419 926 décrivent des systèmes de conditionnement d' air à moteur permettant de récupérer de l'énergiè issue de la pressurisation de la cabine. FR-2 609 686 décrit l'utilisation d'une turbine spécifique dédiée à la récupération d'énergie de pressurisation de la cabine, et interposée entre les deux dispositifs de conditionnement d'air d'un avion (deux groupes de froids semblables sont prévus). Cette turbine spécifique entrâîne un coût d'installation et n'est pas incorporée dans les circuits pneumatiques d'alimentation de la cabine (l'air de sortie de cette turtine n'alimente pas la cabine). US- 2 479 991 décrit un système similaire avec utilisation d'un moteur à combustion interne. Ces systèmes présentent néanrnoins un point unique de fonctionnement optimisé, et la seule récupération énergie pneumatique, qui nécessite la mise en ceuvre d'un ensemble turbocompresseur spécifique, n'est pas réaliste, compte tenu des augmentations de poids et de coût induites par cet ensemble turbocompresseur spécifique, et, en tout état de cause, du faible gain énergétique qui ne compense pas la surcharge pondérale représentée par les

moteurs spécifiques nécessaires au fonctionnement.

L' inventi on vi s e de faç on général e à p all i er c e s inc onvénients en proposant un procédé et un dispo sitif de conditionnement d' air à énergie non pneumatique qui soient compétitifs par rapport aux systèmes de conditionnement

d'air à énergie pnenmatique connus.

Plus particulièrement, l'invention vise à proposer un procédé et un dispo sitif de conditionnement d' air qui présentent plusieurs points de fonctionnement optimisés du point de vue de la consommation énergétique et qui correspondent à différentes conditions de fonctionnement de l'aéronef, notamment un fonctionnement au sol et un fonctionnement en vol. Pour ce faire, l'invention concerne un procédé de conditionnement d'air pour contrôler la temp érature et la pres sion de l' air dans une cabine d'aéronef à partir d'au moins une source d'air, mis en _uvre dans un dispositif de conditionnement d'air comprenant: - au moins un étage de turbine de détente/refroidissement comprenant au moins une entrée d' air et au moins une sortie d'air détendu et refroidi, chaque étage de turtine étant accouplé à des moyens de cornpression mécanique d'a*, de façon à participer à leur entrâînement, - des moyens moteurs à énergie non pnenmatique accouplés aux moyens de compression de façon à participer à leur entrâînement, - un circuit pnenmatique d'alimentation de la cabine à conduites et vannes commandées, adapté pour pouvoir alimenter les noyens de compression à partir d'un débit d'air en provenance de la source d'air, alimenter au moins un étage de turbine à partir d'un débit d'air comprimé issu des moyens de compression, et alimenter au moins une entrée d' air de la cabine avec de l'air en provenance de la sortie d'air d'au moins un étage de turtine, et dans lequel on commande les vannes commandées du circuit pneumatique d'alimentation de la cabine pour le configurer selon un mode de fonctionnement choisi parmi différents modes de fonctionnement correspondant chacun à des caractéristiques spécifiques de débit et/ou température et/ou presson du débit d'air délivré à la cabine, caractérisé en ce que le dispositif de conditionnement d'air comprenant: - au moins deux turbomachines distinctes comprenant chacune un étage de compression et un étage de turtine accouplé à l'étage de compression, l'une au moins des turbomachines étant motorisée et comprenant un moteur à énergie non pnenmatique accouplé à l'étage de compression, - on mesure au moins un paramèhe représentatif de la différence de pression entre l' air dans la cabine et l' atmo sphère extérieure, - lorsque l'écart de pression mesuré (représenté par le(les) paramètre(s) mesuré(s)) est supérieur à un s euil supérieur d' écart de pressi on, on active un mode de fonctionnement, dit mode économique, dans lequel: À l'étage de turbine, dit deuxième étage de turtine d'au moins l'une des turbomachines, dite deuxième turbomachine, est alimenté exclusivement via des moyens, dits deuxièmes moyens d'alimentation par un détit d'air provenant d'une sortie d'air de la cabine et dont la pression est. aux pertes de charge près, celle de la pression d'air régnant dans la cabine, et Àla sortie d'air du deuxième étage de turDine est isolée du circuit pnenmatique d'alimentation de la cabine, de sorte qu'aucun débit d'air alimenté dans la cabine ne provient de la sortie d'air du deuxième étage de turbine, - lorsque l'écart de pression mesuré est inférieur à un seuil inférieur d'écart de pression, on active un mode de fonctionnement, dit mode froid, dans lequel les étages de compression des turbomachines sont reliés en série à partir de la source d'air, et on ajuste la vite sse d'entrainement d' au moins un moteur de turbomachine de façon à ajuster la puissance frigorifique délivrée par le dispositif de conditionnement d'air, et dans lequel le deuxième étage de

turtine est incorporé dans le circuit pneumatique d'alimentation de la cabine.

Avantageusement et selon l'invention, en mode économique, on alimente le deuxième étage de turbine par un débit d'air provenant de la cabine directement via une conduite et une vanne commandée de façon à entrer dans le deuxième étage de turbine au moins sensiblement à la pression et à la

température de l' air régnant dans la cabine, aux p ertes de circulation près.

Plus particulièrement, avantageusement et selon l'invention, en mode froid, on alimente le deuxième étage de turtine par un débit d'air provenant de la sortie d'air d'au moins un autre étage de turbine, dit premier étage de turtine, ce débit d'air arrivant à l'entrée du deuxième étage de turbine au moins sensiblement à la même pression qu'à la sortie du premier étage de turbine, aux pertes de charge près, et on délivre à la cabine au moins une fraction du déhit

d'air issu de la sortie d'air du deuxième étage de turbine.

Avantageusement et selon l'invention, la deuxième turbomachine étant motorisée, le premier étage de turbine appartient à une première turbomachine motorisée comprenant un moteur distinct du moteur de la

deuxième turbomachine.

Avantageusement et selon l'invention on ajuste la vitesse

d'entra^inement d'un seul moteur de turbomachine.

Avantageusement et selon l'invention, en mode froid, on

n'alimente pas le deuxième étage de turtine par de l'air provenant de la cabine.

En effet, l'air en sortie de deuxième étage de turbine est à une pression réduite

par rapport à la pression régnant à l'intérieur de la cabine.

Avantageusement et selon l'invention, on ajuste le seuil inférieur décart de pression etlou le seuil supérieur d'écart de pression de façon à ajuster la puissance frigorifique délivrée par le dispositif de conditionnement d'air. En effet, les seuils d'écart de pression sont représentés par des valeurs du(des) paramètre(s) représentatifs de l'écart de pression, qui peuvent être fixes et prédéfinies, ou, au contraire, variables, déterminées et ajustées en fonction d'au moins un autre paramètre -notamment selon la puissance frigorifique nécessaire en cabine-. Ces seuils peuvent être différents pour créer

une hystérésis, ou au contraire égaux.

Avantageusement et selon l'invention, en mode économique, on utilise au moins une fraction du débit d'air sortant du deuxième étage de

turbine en tant que source froide d'au moins un échangeur de chaleur.

Avantageusement et selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce que, au moins en mode froid, on retroidit l'air compriné délivré par les étages de compression, en le faisant traverser un circuit de refroidissement d' au moins un échangeur de chaleur, dit échangeur intermédia*e, av ant de le délivrer à l'entrée d'air d'au moins un étage de turbine incorporé au circuit pnenmatique d'alimentation de la cabine, et en ce que, en mode éconornique, on utilise au moins une fraction du déDit d'air sortant du deuxième étage de turbine

en tant que source froide de cet échangeur intermédiaire.

En variante ou en combinaison, avantageusement et selon l'invention, au moins en mode économique, on accouple le deuxième étage de turbine à au moins une charge rotative -notamment un compresseur d' air rotatif

et/ou un ventilateur du dispositif-.

Dans tout le texte, le terme "accouplé" désigne le fait de solidariser en rotation, directement ou indirectement, mécaniquement, électriquement, de façon magnétique ou autre, des organes rotatifs, de telle sorte que l'un entraîne l'autre. Ainsi, l'invention permet de récupérer l'énergie mécanique motrice de rotation du deuxième étage de turDine pour motoriser et

entrâîner une charge rotative.

L'invention s'étend à un dispositif permettant la mise en _uvre du procédé selon l'invention. L'invention concerne donc également un dispositif de conditionnement d' air adapté pour contrôler la température et la pression de l'a* dans une cabine d'aéronef à partir d'au moins une source d'air comprenant: - au moins un étage de turbine de détente/refroidissement comprenant au moins une entrée d'air et au moins une sortie d'air détendu et refroidi, chaque étage de turtine étant accouplé à des moyens de compression mécanique d'air, de façon à participer à leur entrâînement, des moyens moteurs à énergie non pneumatique accouplés aux moyens de compression de façon à participer à leur entraînement, - un circuit pneumatique d'alimentation de la cabine à conduites et vannes commandées, adapté pour pouvoir alimenter les moyens de compression à partir d'un déhit d'air en provenance de la source d' air, alimenter au moins un étage de turbine à partir d'un déhit d'air comprimé issu des moyens de compression, et alimenter au moins une entrée d'air de la cabine avec de l'air en provenance de la sortie d'air d'au moins un étage de turbine, des moyens de commande automatique des vannes commandées du circuit pnenmatique adaptés pour configurer le circuit pneumatique d'alimentation de la cabine selon différents modes de fonctionnement correspondant chacun à des caractéristiques spécifiques de déhit et/ou température et/ou pression du détit d'air délivré à la cabine, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins deux turbomachines distinctes comprenant chacune un étage de compression et un étage de turtine accouplé à l'étage de compression, l'une au moins des turbomachines étant motorisée et comprenant un moteur à énergie non pneumatique accouplé à l'étage de compression, - des moyens de mesure d'au moins un paramètre représentatif de la différence, dite écart de pression, entre la pression de l' air dans la cabine et la pression atmosphérique extérieure, et en ce que les moyens de commande automatique et le circuit pneumatique d'alimentation de la cabine sont adaptés pour: - lorsque l'écart de pression mesuré est supérieur à un seuil supérieur de pression, activer un mode de fonctionnement, dit mode économique, dans lequel: Àl'étage de turbine, dit deuxième étage de turbine d'au moins l'une des turbomachines, dite deuxième turbomachine, est alimenté exclusivement via des moyens, dits deuxièmes moyens d'alimentation, par un débit d'air provenant d'une sortie d'air de la cabine et dont la pression est. aux pertes de charge près, celle de la pression d'air régnant dans la cabine, et À la sortie d'air du deuxième étage de turbine est isolée du circuit pneumatique d'alimentation de la cabine, de sorte qu'aucun débit d'air alimenté dans la cabine ne provient de la sortie d'air du deuxième étage de turtine, - lorsque l'écart de pression mesuré est inférieur à un seuil inférieur d'écart de pression, activer un mode de fonctionnement, dit mode froid, dans lequel les étages de compression des turbomachines sont reliés en série à partir de la source d'air, et la vitesse d'entrâînement d'au moins un moteur de turbomachine est ajustée de façon à ajuster la puissance frigorifique délivrée par le dispo sitif de conditlonnement d' air, et dans lequel le deuxième étage de turbine

est incorporé dans le circuit pneumatique d'alimentation de la cabine.

S Avantageusement et selon l'invention, les deuxièmes moyens d'alimentation consistent en une conduite reliant la sortie d'air de la cabine à une entrée d' air du deuxième étage de turtine et en une vanne commandée interposée sur cette conduite, l'air alimenté dans le deuxième étage de turtine par les deuxièmes moyens d'alimentation en mode économique étant, aux pertes de c*culation près, au moins sensiblement à la pression et à la température de l'air

régnant dans la cabine.

Dans un dispositif selon l'invention, le débit d' air sortant du deuxième étage de turtine en mode économique ne participe pas à l'alimentation

en air de la cabine.

Dans un dispositif de conditionnement d' air selon l'invention, avantageusement, en mode Doid, le deuxième étage de turbine est alimenté via des moyens, dits premiers moyens d'alimentation, par un débit d' air provenant de la sortie d'air d'au moins un autre étage de turbine, dit premier étage de turbine, et le circuit pneumatique d'alimentation cabine délivre à la cabine au moins une

fraction du débit d'air issu de la sortie d'air du deuxième étage de turtine.

Avantageusement et selon l' invention, la deuxième turbomachine est motorisée et le premier étage de turtine appartient à une première turbomachine motorisée comprenant un moteur distinct du moteur de la

deuxième turbomachine.

Avantageusement et selon l'invention, la deuxième turbomachine est motorisée, et les moyens de commande automatique sont

adaptés pour ajuster la vitesse d'entrâînement d'un seul moteur de turbomachine.

Avantageusement et selon l'invention, en mode froid, le deuxième étage de turbine n'est pas alimenté par les deuxièmes moyens d'alimentation. En outre, avantageusement et selon l' invention, les premiers moyens d'alimentation sont adaptés pour fournir, en mode froid, à l'entrée du deuxième étage de turtine, un débit d' air qui est au moins sensiblement, aux

pertes de charge près, à la pression de l'air à la sortie du premier étage de turbine.

Avantag eusement et s elon l' inventi on, l e s mo yens de commande automatique sont adaptés pour ajuster le seuil inférieur d'écart de pression et/ou le seuil supérieur d'écart de pression de façon à ajuster la puissance

frigorifique délivrée par le dispo sitif de conditionnement d' air.

Avantageusement et s elon l' invention, le disp o sitif comprend des moyens adaptés pour délivrer, en mode économique, au moins une fraction du détit d'air issu de la sortie d'air du deuxième étage de turbine à un circuit de source froide d'au moins un échangeur de chaleur. Après passage dans cet échangeur de chaleur, le débit d'air servant de source froide peut être rejeté à l'atmosphère. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, et selon l'invention, le dispositif de conditionnement d' air est caractérisé en ce qu'il comprend: iS - un échangeur de chaleur, dit échangeur de chaleur intermédiaire, associé thermiquement à une source froide, cet échangeur intermédiaire comprenant un circuit de refroidissement ayant une entrée d'air relice à la sortie d'air des moyens de compression d' air mécanique et une sortie d'air retroidi, - des moyens pour délivrer le débit d'air refroidi issu de la sortie d'air refroidi de l'échangeur intermédiaire à l'entrée d'air d'au moins un étage de turbine incorporé au circuit pneumatique d'alimentation de la cabine, et - des moyens adaptés pour, en mode économique, délivrer au moins une fraction du débit d'air issu de la sortie d'air du deuxième étage de

turtine à un circuit de source froide de l'échangeur intermédiaire.

Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, le dispositif de conditionnement d' air comprend des moyens d'échange thermique -notamment un échangeur de chaleur, dit échangeur cabine-, comprenant un circuit de source froide adapté pour être interposé, au moins dans un mode de fonctionnement, entre la sortie d'air du premier étage de turtine et l'entrée d'air du deuxième étage de turbine, de façon à être traversé par un déhit d' air réfri gérant, ces moyens d'échange thermique étant aussi adaptés pour créer un flux de calories depuis l'air de la cabine vers le circuit de source froide. De la sorte, on peut obtenir un refroidissement accéléré de la température de la cabine, par exemple lorsque celle-ci est particulièrement élevoe, par exemple après un séjour au sol de

l'aéronef au soleil.

Avantageusement et selon l'invention, les étages de turbine sont agencés de telle sorte que la pression de l'air délivré par ces étages de turbine est la plus faible en sortie du deuxième étage de turtine, dit deuxième

étage de turbine basse pression.

D ans un mode de réalisation avantageux, et s elon l' invention, le dispositif de conditionnement d' air est caractérisé en ce qu'un étage de compression d'une turbomachine motorisée, dit étage de compression basse pression, comprend une entrée d'air reliée à la source d'air extérieur, et au moins un autre étage de compression d'une autre turbomachine motorisée, dit étage de compression haute pression, comprend une entrée d'air adaptée pour pouvoir étre reliée, dans au moins un mode de fonctionnement, à une sortie d'air de l'étage de compression basse pression de sorte qu' au moins une fraction du débit d'air is su de la sortie d'air de l' étage de compression basse pression soit délivrée à l' enkée de l'étage de compression haute pression, et en ce que le deuxième étage de turbine appartient à la turbomachine motorisée comprenant l'étage de compression basse pression et participe à son entrâînement en mode économique

comme en mode froid.

Un dispositif de conditionnement d'air selon l'invention comprend le même nombre d'étages de compression que d'étages de turtine, chaque étage de turbine étant accouplé à l'un des étages de compression de façon à participer à son entrâînement, et chaque étage de compression étant accouplé à l'un des étages de turtine. Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif

de conditionnement d'air selon l'invention, comprend deux turbomachines, c'est-

à-dire deux étages de compression et deux étages de turbine.

Par ailleurs, avantageusement, le dispositif de 3 0 conditionnement d' air selon l' invention, comprend des moyens de condensation de l'eau interposés entre la sortie d'air des moyens de compression d'air mécanique et l'entrée d'air du premier étage de turbine. Avantageusement et selon l'invention, les moyens de condensation comprennent un échangeur de chaleur adapté pour être traversé par un débit d'air issu de la sortie d'air du deuxième

étage de turbine.

Le débit d'air issu de la sortie d'air du deuxième étage de turbine peut étre utilisé comme source froide des moyens de condensation en

mode froid ou en mode économique.

Par ailleurs, méme s'il a été proposé théoriquement d'utiliser une turbomachine motorisée par une source d'énergie non pneumatique, et notamment à moteur électrique, pour pouvoir prélever directement l'air extérieur en tant que source d'air et non l'air issu d'un étage de compression des turboréacteurs de motorisation de l'aéronef, ces propositions ne sont pas exploitées en pratique car elles entraneraient l'utilisation de moteurs de puissance élevée aboutissant à des solutions technologiques non concurrentielles par rapport aux solutions traditionnelles utilisant l'énergie pneumatique des turboréacteurs principaux. Or, les gains d'énergie obtenus grâce à l'invention permettent maintenant d'envisager l'utilisation de moyens moteurs à énergie non pnenmatique, propres au disp o sitif de conditionnement d' air, p our entraner les moyens de compression d'air mécaniques. En particulier, il devient avantageux, grâce à l'invention, d'utiliser l'énergie électrique pour la motorisation des moyens

de compression.

Ainsi, avantageusement et selon l'invention, les moyens-

moteurs des turbomachines sont constitués d'au moins un moteur électrique.

Dans un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend deux turbomachines électriques comprenant chacune un moteur électrique, un étage de compression et un étage de turDine, dont une turbomachine basse pression

comprenant le deuxième étage de turbine.

L'invention concerne également le procédé mis en _uvre dans un dispositif de conditionnement d'air selon l'invention. L'invention s'étend également à un procédé et un dispositif caractérisés en combinaison par tout ou

partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.

Grâce à la combinaison des caractéristiques de l'invention, on obtient un procédé et un dispositif particulièrement économiques, offrant des performances ajustées avec un bon rendement pour les plages de fonctionnement les plus courantes de l'aéronef-notamment en vol-, mais aussi des capacités de refroidissement importantes lorsque cela est nécessaire -notamment au sol-, et ce avec utilisation d'énergie électrique, c'est-à-dire sans prélèvement d'air (ou avec un prélèvement minimal d'air) sur les étages de compression des turboréacteurs de motorisation principaux de l' aéronef. En particuli er, toute s les turbo machines du dispositif selon l'invention peuvent être motorisées avec chacune un moteur électrique qui lui est propre. En variante, seule une partie des turbomachines -notamment au moins la deuxième turbomachine- est motorisée. En outre, la récupération d' énergie de pre s suris ation de la c abine est obtenue à l' aide de l'air des étages de turbine du groupe de froid, incorporé, en mode froid, dans le circuit pneumatique d'alimentation de la cabine. Et il n'est pas nécessaire de prévoir une turbomachine dont la turbine est dédiée uniquement à cette récupération d'énergie. Il est à noter qu'un dispositif selon l'invention forme l'un seulement des dispositifs de conditionnement d'air d'un aéronef, alimentant une entrée d'air de la cabine en air rétrigéré. L'aéronef comprend en général deux dispo sitifs de conditionnement d' air selon l'invention semblables fournissant de

l'air réfrigéré à la cabine.

Dans un dispositif selon l'invention, l'une des turbomachines peut être conçue, dimensionnée et réglée spécifiquement pour les conditions de vol en haute altitude o une faible quantité de frigories est nécessaire et peut être fournie par cette seule machine. L'autre turbomachine comprenant le deuxième étage de turbine p ermet de récup érer l' énergie pneumatique provenant de l' air de cabine pressurisé. En effet, une certaine quantité d'air doit nécessairement êke

évacuée en dehors de la cabne, notamment pour son renouvellement en oxygène.

A l'inverse, dans les conditions de fonctionnement au sol ou en basse altitude, une grande quantité de frigories doit être fournie, et cela peut être obtenu en mode froid par l'utilisation conjointe des deux turbomachines -notamment des deux étages de turbine- en série. L'une et/ou l'autre des turbomachines peut(vent)

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étre pilotée(s) en vitesse pour ajuster la puissance consommée, au plus juste, à la

charge frigorifique requise en cabine.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l' invention

appara^tront à la lecture de la description suivante qui se rétère aux figures

annexées qui représentent un mode de réalisation préférentiel de l'invention, et dans lesquelles: - la figure 1 est un schéma de principe d'ensenble d'un dispositif de conditionnement d'air selon l'invention, la figure 2 est un schéma de principe du dispositif de la fgure 1 illustrant la circulation de l'air en mode froid de fonctionnement, - la figure 3 est un schéma de principe du dispositif de la fgure 1 illustrant la circulation de l'air en mode économique de fonctionnement, - la fgure 4est un schéma de principe du dispositif de la figure 1 illustrant la circulation de l'air en mode turbo-froid, de fonctionnement, - la figure 5 est un schéma de principe du dispositif de la figure 1, illustrant la circulation de l'air dans un mode de fonctionnement, dit mode de dégivrage, - la fgure 6 est un diagramme illustrant un exemple de commande de sélection d'un mode économique, - la fgure 7 est un diagramme illustrant un exemple de

commande de sélection d'un mode turbo-froid.

Le dispositif de conditionnement d' air repré s enté figure 1 constitue un ensemble autonome ("pack") capable de délivrer de l'air dans tous les modes de fonctionnement d'un aéronef (avion civil ou militaire, hélicoptère) pour contrôler la température et la pression de l'air dans la cabine close et pressurisée de cet aéronef à partir d'une source 15 d'air extérieur sous pression dynamique. Cette source 15 est en pratique formée d'une bouche de prélèvement d'air ménagée sur la carlingue de l'aéronef, et permet donc de prélever de l'air atmosphérique. L'aéronef comprend en général deux dispositifs de conditionnement d'air semblables, afin d'éviter une panne totale du conditionnement d'air en vol.

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Le dispo sitif de conditionnement d' air comprend essentiellement deux turbomachines 1, 2 motorisées à moteur électrique 12, respectivement 22, à savoir une turbomachine haute pression 1 et une turbomachine basse pression 2. La première turbomachine 1 haute pression comprend un étage de compression 11, dit premier étage de compression, et un étage de turbine 13, dit premier étage de turbine 13, reliés enke eux par un arDre de transmission auquel est accouplé un moteur électrique 12. (:;es étages 11, 13 de compression et de turbine peuvent comprendre un ou plusieurs éléments tournants de compression ou de turbine, c'est-à-dire un ou plusieurs compresseurs et, respectivement, une ou plusieurs turbines. Ces étages peuvent êke réalisés

sous forme de turbomachines axiales ou centrifuges, ou mixtes.

La deuxième turbomachine 2 peut être identique à la première, et comprend un étage de compression, dit deuxième étage de compression 21, et un étage de turbine, dit deuxième étage de turtine 23, accouplés et reliés entre eux par un arbre de transmission auquel est accouplé un

moteur électrique 22.

Dans tout le texte, les termes "première" et "deuxième" ou leurs dérivés sont utilisés uniquement pour distinguer les éléments d'une turbomachine de ceux d'une autre turbomachine; ils ne doivent donc pas eke compris comme imposant un ordre quelconque des éléments -notamment par rapport au sens de circulation de l'air, aux variations de pression, ou aux

variations de température-.

Dans chaque turbomachine 1, 2, l'arbre de transmission solidarise en rotation le moteur électrique 12, 22 à l'étage de turtine 13, 23 et à l'étage de compression 11, 21. L'accouplement ainsi réalisé est donc de préLérence mécanique, l'étage de compression 11, 21,1'étage de turbine 13, 23 et le moteur électrique 12, 22 ayant un rotor commun unique. En variante, cet accouplement peut néanmoins étre réalisé sous forme éleckique, l'étage de turtine 13, 23 enkanant un générateur éleckique qui alimente le moteur

électrique 12, 22 enkanant l'étage de compression 11, 21 sur un rotor différent.

L'accouplement peut également êke réalisé, en variante, selon tout auke mode de fonctionnement distinct, par exemple magnétique, hydraulique, Sur la fgure 1, les flèches représentent les sens de circulation possibles de l'air. L'air extérieur sous pression dynamique issu de la source 15 est alimenté par une conduite 40 via une première sortie d'une vanne de distribution V14 sur une entrée d'air 41 du deuxième étage de compression 21. Une deuxième sortie de la vanne V14 est reliée par une conduite 79 à une entrée d' air 44 du premier étage de compression 11 pour son alimentation directe en air provenant de la source 15, sans passer par le deuxième étage de compression 21. L'air comprimé sortant de ce deuxième étage de compression 21 par une sortie d'air 42 de ce dernier est alimenté par une conduite 43 à une entrée d'air 44 du premier étage de compression 11. Une conduite 18 est connectée en parallèle à la conduite 43 via une vanne V9 de distribution entre les deux étages de compression 11, 21 pour pouvoir délivrer de l'air comprimé à un dispositif 16 auxiliaire qui est par exemple un système de dégivrage. Une sortie diair 45 du premier étage de compression 11 est reliée par une conduite 46 à l'entrce 47 d'un circuit de retroidissement 3b d'un échangeur de chaleur 3, dit échangeur intermédiaire, permettant de refroidir l'air comprimé issu des étages de compression 11, 21 en série. L'échangeur intermédiaire 3 comprend un circuit de source froide 3a alimenté à partir de la source 15 d'air extérieur qui fait office de source froide, grâce à un ventilateur 4. L'air circulant ainsi dans le circuit de source froide de l'échangeur interrnédiaire 3 est ensuite rejeté à l'atmosphère. Le débit d'air entrant à l'entrée d' air 47 du circuit de refroidis s ement de l'échangeur 3 en provenance des étages de compression 1 1, 21 sort du circuit de retroidissement de l'échangeur intermédiaire 3 par une sortie d' air 4 8 de ce

dernier, à une température plus faible mais à l'état comprimé.

La conduite 49 reliée à la sortie d'air 48 du circuit de retroidissement de l'échangeur intermédiaire 3 permet de fournir l'air comprimé à l'une de trois conduites dérivées 50, 51, 52. Par la conduite dérivée 52, l'air est délivré à une boucle de condensation 5. Une autre conduite dérivée 51 comprend une vanne V1, et permet d'alimenter l'air directement à une entrée d' air 57 du premier étage de turbine 13 sans passer par la boucle de condensation 5. Lorsque la vanne V1 est fermée, l'air passe par la conduite dérivée 52 à travers la boucle de condensation 5, puis revient à la conduite dérivée 51 pour être alimenté à

l'entrée d'air 57 du premier étage de turbine 13.

La boucle de condensation 5 comprend un premier échangeur retroidisseur 6 relié par une conduite 53 à un deuxième échangeur refroidisseur 7, luimême relié par une conduite 54 à un extracteur d'eau liquide 8. L'extracteur 8 fournit l'air froid en tant que source froide au premier échangeur 6 pour le premier refroidissement de l'air arrivant par la conduite dérivée 52 dans la boucle de condensation 5. L'extracteur 8 est donc relié au circuit de source froide du premier échangeur 6 par une conduite 55, et la sortie de ce circuit de source froide est reliée par une conduite 56 à l'aval de la vanne V1 à la conduite dérivée 51 connectée à l'entrée d'air 57 du premier étage de turtine 13. Le deuxième échangeur reffoidisseur 7 fonctionne à une température plus basse et est traversé par l'air issu du deuxième étage de turbine 23 qui fait office de source froide pour ce deuxième échangeur refroidisseur 7. A la sortie de la boucle de condensation 5, l'air comprimé se trouve au moins sensiblement à la même pression et à la même température que celles qu'il avait à l'entrée de la boucle de condensation 5,

mais il est débarrassé de toute trace de vapeur d'eau ou d'eau liquide.

Après détente et refroidissement à travers le premier étage de turbine 13 à haute pression, l'air sort par une sortie d'air 58 de ce premier étage de turbine 13, reliée par une conduite 59 à une entrée d'air 60 d'un circuit de source froide 9a (formant un circuit d'air réfrigérant 9a) d'un échangeur thermique 9, dit échangeur cabine 9, dans lequel cet air provenant du premier étage de turbine 13 fait office de source froide. Cet échangeur cabine 9 comprend par ailleurs un circuit de retroidissement 9b associé en échange thermique avec le circuit de source froide 9a. Ce circuit de refroidissement 9b est traversé par de l'air provenant de la cabine 30 via une sortie 31 de cette cabine 30, un ventilateur motorisé 32, une vanne V10 et une conduite 76 qui aboutit à l'entrée du circuit de refroidis sement 9b de l' échangeur cabine 9. L' air re ssort du circuit de refroidissement 9b de l'échangeur cabine 9 par une conduite 77 dans laquelle il est à l'état refroidi. L'échangeur cabine 9 permet ainsi de créer un flux de calories depuis l' air de cabine circulant dans le circuit de refroidis s ement 9b vers l' air réfrigérant traversant le circuit de source froide 9a. La sortie d'air 61 du circuit de source froide 9a de l'échangeur cabine 9 est reliée à une conduite principale 64, à l'amont d'une vanne V6 de sortie qui relie cette conduite principale 64 à une conduite 78 d'alimentation de la cabine arrivant à une entrée d'air 33 de la cabine 30. La conduite d'alimentation 78 est aussi dotée d'une vanne V13 de décharge qui perrnet, si nécéssaire, de déconnecter complètement le dispositif de conditionnement d'air de la cabine en délivrant l'air issu de ce dispositif dans une

conduite 79 dont la sortie est rejetée à l'atmosphère extérieure 17.

Par ailleurs, la conduite principale 64 peut être alimentée par de l'air comprimé chaud issu des étages de compression par une conduite 19 reliant la conduite 46 de sortie des étages de compression 11, 21 à la conduite principale 64 par l'intermédiaire d'une vanne V5. Grâce à cette vanne V5, on peut ainsi alimenter la cabine 30 au moins partiellement en air chaud comprimé, et

régler la température TE dans la conduite 78 d'alimentation.

Une autre conduite dérivée SO est reliée à la conduite 49 par l'intermédiaire d'une vanne V7, et cette conduite dérivée 50 aboutit directement à l'aval de la vanne V6 de sortie de la conduite principale 64 mais à l'amont de la vanne V13 de décharge, de façon à permettre également l'alimentation de la cabine 30 par de l'air comprimé issu du circuit de refroidissement de l'échangeur intermédiaire 3, sans passer par les étages de turtine 13, 23, c'est-à-dire sans

passer par le groupe froid du dispositif de conditionnement d' air.

La conduite principale 64 est aussi reliée par une conduite 65

comprenant une vanne V3 à une entrée d'air 66 du deuxième étage de turtine 23.

Par ailleurs, la sortie d'air 58 du premier étage de turbine 13 peut être reliée directement à la conduite principale 64 par l'internédiaire d'une conduite 63 comprenant une vanne V2. Cette conduite 63 et cette vanne V2 permettent de déconnecter le circuit de source froide de l'échangeur cabine 9 du circuit

pneumatique d'alimentation de la cabine.

Les deux étages de turbine 13, 23 peuvent être connectés en série, le débit d'air issu de la sortie d'air 58 du premier étage de turtine 13 étant fourni à l'entrée d'air 66 du deuxième étage de turbine 23, soit directement via les vannes V2 et V3 et les conduites 63, 64, 65; soit indirectement, si la vanne V2 est fermée, via le circuit de source froide 9a de l'échangeur cabine 9, et les

conduites 59, 62, 64 et 65, et la vanne V3.

La sortie d'air 71 du deuxième étage de turbine 23 est reliée par une conduite 72 au circuit de source froide du deuxième échangeur retroidisseur 7 de la boucle de condensation 5, dont il ressort par une conduite 73 aboutissant à une vanne de distribution V8. Cette vanne de distribution V8 est reliée d'un côté par une conduite 74 à la conduite 78 d'alimentation de la cabine à l'aval de la vanne V6 de la conduite principale 64, mais à l'amont de la vanne de décharge V13. Cette conduite 74 relie donc une première sortie V8a de la vanne V8 à la conduite 78 d'alimentation. La vanne V8 présente une deuxième sortie V8b qui est reliée par une conduite 75 au circuit de source froide 3a de l'échangeur intermédiaire 3 dont le circuit de refroidissement 3b est disposé à l'aval des étages de compression 12, 21. De la sorte, au moins une fraction du débit d'air froid détendu issu du deuxième étage de turbine 23 peut être utilisée comme source froide en mélange à l'air extérieur, ou à la place de cet air

extérieur, pour retroidir l'air comprimé à l'aval des étages de compression 11, 21.

Cet air délivré par la conduite 75 à l'échangeur intermédiaire 3 est ensuite rejeté à

l'atmosphère extérieure grâce au ventilateur 4.

La cabine 30 comprend une vanne de pressurisation et d'évacuation V12 permettant d'évacuer le surplus d'air dans la cabine dans l'atmosphère extérieure 17 via une conduite d'évacuation 70 et une vanne Vl l de fermeture de l'évacuation. Cette vanne de pressurisation et d'évacuation V12 est reliée en parallèle à l'amont de la vanne de fermeture Vl l à une conduite 68 qui permet de délivrer l'air issu de la cabine 30 à une entrée 67 du deuxième étage de turbine 23, et ce par l'intermédiaire d'une vanne V4. Lorsque cette vanne V4 est ouverte, et que la cabine 30 est pressurisée, un débit d'air sort donc via la vanne de pressurisation et d'évacuation V12 et est alimenté dans le deuxième étage de

turbine 23 à l'entrée d'air 67, par l'intermédiaire de la conduite 68.

Le procédé de conditionnement mis en _uvre dans ce dispositif est illustré par les figures 2 à 5 qui représentent respectivement, différents modes de fonctionnement. Sur ces figures, le cheminement de l'air est représenté par les flèches, l'absence de flèches signifiant que l'air ne circule pas J dans les conduites. Selon le mode de fonctionnement, les deux étages de turbine 13, 23 sont connectés en série pour fournir le maximum de froid, ou au contraire, le deuxième étage de turbine 23 est déconnecté du circuit d'alimentation de la cabine 30, seul le premier étage de turDine 13 fournissant l'air froid à la cabine 30. Dans ce dernier cas, le deuxième étage de turbine 23 est alimenté par la conduite 68 par de l'air provenant de la cabine, dont on récupère l'énergie pneumatique, soit sous forme mécanique par entra^nement du premier étage de compression 21 (et/ou tout autre organe rotatif pouvant être couplé au rotor de la deuxième turbomachine 2, par exemple l'un des ventilateurs 4, 32) etiou sous forme frigorifique en utilisant l'air froid issu du deuxième étage de turDine 23

comme source froide dans l'échangeur 3.

La figure 2 représente un premier mode de fonctionnement, dit mode froid, dans lequel les deux étages de turbine 13, 23 sont en série et alimentent tous deux la conduite 78 d'alimentation de la cabine 30. Dans une variante de réalisation du mode froid, la vanne V2 est ouverte de sorte que l'air issu du premier étage de turDine 13 est directement alimenté à l'entrée 66 du deuxième étage de turtine 23, sans passer par l'échangeur cabine 9. Tout le débit d'air froid arrivant à la vanne V8 et fourni à l'entrée 33 de la cabine 30. Il est à noter que, en mode froid, il est possible d'utiliser ou non une fraction du débit issu de la sortie 71 du deuxième étage de turDine 23, non pas pour alimenter directement la cabine 30, mais pour alimenter le circuit de source froide 3a de l'échangeur intermédiaire 3, et ce en fonction de la température qui règne à l'intérieur de la cabine 30. Si cette température est déjà suffisamment froide, on peut donc utiliser une fraction du débit froid fourni par les étages de turtine 13, 2s 23 pour retroidir l'échangeur intermédiaire 3, et ce grâce à la vanne de distribution V8 qui pourra diriger une fraction de ce débit vers sa sortie V8b par la conduite 75 retournant au circuit de source froide de l'échangeur intermédiaire 3. Dans le mode de fonctionnement, dit mode économique, représenté fgure 3, la vanne V3 est fermée et la vanne V6 est ouverte, de sorte que l'air issu du premier étage de turbine 13 est directement fourni dans la cabine par la conduite 78 d'alimentation, sans passer par le deuxième étage de turbine

23, ce dernier étant déconnecté du circuit d'alimentation en air de la cabine 30.

La vanne V4 est ouverte et la conduite 68 alimente l'entrée d'air 67 du deuxième étage de turbine 23 avec de l'air issu de la cabine 30. L'air froid issu du deuxième étage de turbine 23, à une pression plus faible que celle de la cabine 30, est totalement fourni par l'intermédiaire de la vanne de distribution V8 à la conduite

d'alimentation du circuit de source froide de l'échangeur 3.

La figure 4 représente un mode, dit mode turbo-froid, dans lequel le refroidissement de la cabine 30 est le plus important et qui peut être utilisé, par exemple, lorsque la température à l'intérieur de la cabine 30 est très

élevée, comme cela se présente après un long séjour de l'aéronef au sol au soleil.

Dans ce cas, le ventilateur 32 à la sortie de la cabine 30 est activé de façon à faire passer un débit d'air élevé extrait de la cabine 30 à travers le circuit de refroidissement 9b de l'échangeur cabine 9. Ce débit d'air élevé, qui est par exemple de l'ordre de 80% du débit d'air total entrant dans la cabine 30, retourne à la cabine 30 par la conduite d'alimentation 78 après refroidissement par passage dans le circuit de reDroidissement 9b de l'échangeur cabine 9. Pour le retroidissement de ce grand débit d'air, le circuit de source froide 9a de l'échangeur cabine 9, qui est interposé entre la sortie 58 du premier étage de turtine 13 et l'entrée 66 du deuxième étage de turDine 23, est alimenté par l'air froid issu du premier étage de turbine 13. On crce ainsi un flux de calories élevé depuis l'air de la cabine 30, vers l'air cTrculant dans le circuit de source froide 9a, la température de l' air à l'entrée de ce circuit de source froide 9a étant inférieure à

celle de l'air issu de la cabine 30 entrant dans le circuit de refroidissement 9b.

Pour le reste, le schéma est similaire à celui de la fgure 2 correspondant au mode froid. Le débit d'air froid issu du deuxième étage de turbine 23 peut 8tre fourni en partie seulement (par exemple 20%) à la conduite 78 d'alimentation de la cabine, l'autre partie (par exemple 80%) étant fournie au circuit de source froide 3a de l'échangeur intermédiaire 3. En effet, dans ce mode turbo-froid, le refroidissement est principalement obtenu par l'échangeur cabine 9, et la faible température de l'air à la sortie du deuxième étage de turDine 23 (obtenue avec un débit plus faible que celui circulant dans le circuit de retroidissement de

l'échangeur cabine 9) a une moindre effcacité de retroidissement.

La figure 5 représente un autre mode de fonctionnement possible, dit mode de dégivrage. Dans ce mode de fonctionnement, les deux étages de compression 11, 21 sont alimentés en parallèle à part* de la source d'air extérieur 15, via la vanne de distribution V14 qui alimente les deux conduites 40, 79. En outre, l'air comprimé issu du deuxième étage de compression 21 est fourni, non pas au premier étage de compression 11, mais, par la conduite 18 et la vanne de distribution V9, à un dispositif auxiliaire 16 qui est par exemple un dispositif de dégivrage. Au lieu d'être alimentée directement à partir de la source d'air extérieur 15, le deuxième étage de compression 11, 21 lO peut étre alimenté par l'air sortant à la sortie du circuit de source froide 3a de l'échangeur intermédiaire 3, c'est-à-dire à l'aval du ventilateur 4. Cet air est en effet réchanffé, de sorte que l'air alimenté au dispositif auxiliaire 16 sera plus chaud. Dans la variante représentée de ce mode de fonctionnement, le deuxTème étage de turbine 23 est totalement déconnecté du dispositif de conditionnement d'air, mis en roue libre, et ne sert plus. L'air froid arrivant dans la conduite d'alimentation 78 n'est délivré que par le premier étage de turbine 13, via la

vanne V2 et la vanne V6.

Le tableau 1 ci-après représente l'état des différentes vannes

du dispositif selon l'invention selon les modes de fonctionnement.

Le tableau 2 ci-après indique des ordres de grandeur, à titre d'exemple, des températures et pressions pouvant être obtenues en différents points du circuit représentés par des lettres majuscules sur les schémas, selon les différents modes de fonctionnement. Les valeurs de pression sont des pressions statiques (c'est-à-dire telles qu'elles pourraient étre affichées par une sonde de

pression absolue connectée à un tube de prélèvement de paroi).

Il est à noter que dans les tableaux, on a considéré en mode dégivrage que les deux étages de turbine 13, 23 sont en série, contrairement à la variante représentée figure 5. En mode économique, à haute altitude, la vanne V1 peut étre ouverte lorsque la boucle de condensation n'est pas utile, ou fermée

dans le cas contraire.

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o 8 ô.> Les vannes du circuit pnenmatiquè peuvent étre constituées de tout dispositif apte à faire varier le débit (sections d'injection variables; électrovannes; vannes papillons; vannes à boisseaux; vannes guillotines...) Le dispositif de conditionnement selon l'invention comprend en outre un automatisme électronique de corumande de l'état des différentes vannes. I1 est à noter que les deux vannes V3, V4 permettant l'alirnentation sélective en air du deuxième étage de turbine 23 sont des vannes dont l'une seulement peut étre ouverte (et non les deux à la fois). La vanne V3 est fermée en mode économique et ouverte en mode froid. Cette vanne V3 peut être une vanne tout ou rien. La vanne V4 est fermée en mode froid, et ouverte en mode économique. On peut faire varier l'ouverture de la vanne V4 en mode économique pour moduler la puissance fournie par le deuxième étage de turtine

23. Dans ce cas, la vanne V4 est une vanne de modulation à ouverture réglable.

Pour le reste, les autres vannes doivent étre des vannes de modulation, régulées ou non, ou des vannes tout ou rien. De préLérence, on utilise

des électrovannes commandées électriquement par l'automatisme de commande.

Cet automatisme de commande sélectionne ou non le mode économique à partir de la mesure d'au moins un paramètre représentant de l'écart de pression entre la pression dans la cabine et la pression atmosphérique extérieure, qui correspond à l'altitude de l'aéronef. En effet, le principe de récupération d'énergie par le deuxième étage de turtine 23 ne devient utile et efficace que lorsque la pression régnant à l'intérieur de la cabine 30 est supérieure à la pression atmosphérique extérieure, d'une valeur suffisante. Or, cet écart de pression est directement lié à l'altitude, c'est- à- dire en pratique à la pression atmosphérique extérieure mesurée. Dès lors, il suffit de mesurer la pression atmosphérique extérieure en tant que paramètre représentatif de l'écart de pression. Néanmoins, en variante ou en combinaison, tout(s) autre(s) paramètre(s) représentatif(s) de cet écart de pression peut(peuvent) étre mesuré(s): pression de l'air dans la cabine; altitude de l'appareil; écart de

pression (directement mesuré par un capteur de pression différentiel).

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S.; nécessaire, l'automatisme de commande peut étre adapté pour présenter une hystérésis (figure 6), c' est- à-dire que le seuil supérie ur d'écart de pression APsup, permettant le déclenchement du mode économique peut être supérieur (correspondant à une altitude supérieure Zsup) au seuil inférieur de pression APinf, à partir duquel le mode froid est à nouveau sélectionné. Le mode économique est en effet sélectionné lorsque l'écart de pression est supérieur au seuil supérieur d'écart de pression et le mode froid est au contraire sélectionné lorsque l'écart de pression est inférieur au seuil inférieur d'écart de pression. (::es seuils d'écart de pression peuvent, en variante, être égaux. De préférence, la différence entre les seuils APsup - iPinf est choisie constante et suffsante pour éviter le basculement d'un mode à l' autre pour de faibles variations d' altitude de l'aéronef. Dans l'exemple représenté figure 6, le mode éconornique ME est sélectionné à la montée de l'aéronef (traits pleins) lorsque APsup est atteint. A partir de cette altitude Zsup, V3 est fermée et V4 est modulée pour soulager le moteur 22 de la deuxième turbomachine 2. A la descente (traits pointillés), le mode froid MF n'est enclenché que lorsque APinf est atteint, à l'altitude Zinf, o

V3 est ouverte est V4 est fermée.

Par exemple, le seuil supérieur d'écart de pression APsup permettant la sélection du mode économique, et correspondant à un vol à haute altitude, peut être choisi pour correspondre à une altitude de l'ordre de 22 000 pieds (6 700 mètres). A une altitude inférieure à cette valeur, le mode sélectionné peut être soit le mode froid, soit le mode turbo-froid (au sol pour retroidir l'aéronef si la température mesurée en cabine est trop importante), soit encore le mode de dégivrage au sol ou en basse altitude si la nécessité d'un dégivrage est

détectée et/ou commandée par l'équipage.

Chaque seuil d'écart de pression APinf et APsup peut étre une valeur fixe prédéfinie, ou, au contraire, étre détermince et ajustée en fonction de

la puissance frigorifique PF à fournir à la cabine.

Le dispositif comprend des moyens de mesure d'au moins un paramètre représentatif de la demande frigorifique de la cabine, c'est-à-dire de la puissance frigorifque nécessaire pour maintenir l'environnement thermique désiré en cabine. En particulier, on mesure au moins la température de l'air en cabine TC. La puissance frigorifque PF fournie à l'entrée 33 de la cabine est: PF = C x Q (TE - TC) o: C est la capacité calorifque de l'air, Q est le débit fourni,

TE est la température de l'air à l'entrée 33 de la cabine 30.

L'automatisme de commande est adapté pour ajuster la puissance frigorifique PF afin de minimiser l'écart TC - TSEL, o TSEL est la

température de consigne, pouvant être réglée par l'équipage, souhaitée en cabine.

Selon l'invention, on ajuste la vitesse d'au moins l'un des moteurs 12, 22 et donc d'au moins un étage de compression 11, 21 correspondant, ce qui fait varier les valeurs de TE et Q. donc celle de PF. On peut aussi avantageusement faire varier la position de vannes pour faire varier TE et Q. Par exemple, on mesure TC et Q. on pilote la vitesse du moteur 22 de la deuxième turbomachine 2 pour atteindre un débit requis (prédéfni pour obtenir un renouvellement d' air et une pressurisation minimum dans la cabine), et on règle la position de la vanne Vi de fa$on à maintenir la température TC égale à la température de consigne TSEL. Dans cet exemple, la vitesse du moteur 12 de la première turbomachine 1 est maintenue constante en permanence. Egalement à titre d'exemple, les seuils APinf et APsup sont dépendants de la mesure de la température atmosphérique extérieure (permettant d'estimer le besoin en frigories à fournir à la cabine): ils sont d'autant plus élevés

que la température atmosphérique extérieure mesurée est élevée.

Les seuils permettant le déclenchement et l'interruption du mode turbofroid peuvent aussi être distincts, pour présenter une hystérésis,

comme décrit ci-dessus pour les seuils d'écart de pression, ou au contraire égaux.

Par exemple, l'hystérésis de sélection du mode turbo-froid est celui représenté figure 7. Dans cet exemple, si l'écart de température TC - TSELest supérieur au seuil supérieur d'écart de température AT (par exemple de l'ordre de 10 C), le mode turbo-froid est sélectionné, et reste actif (A; traits pointillés) j us qu' à obtenti on de la temp érature de consigne T SEL en c ab ine (T C - T S EL = 0 correspondant, dans cet exemple, au seuil inférieur d'écart de température). A partir de ce point, on inactive (I) le mode turbo-froid et on sélectionne un mode normal, par exemple le mode froid. De façon à éviter l' activation intempestive du mode turbo-froid, celui-ci ne peut être sélectionné, lorsque TC - TSEL augmente,

qu'à partir du seỉl supérieur AT (traits pleins).

Le procédé de contrôle utilisé peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation par rapport à l'exemple sus-décrit, selon les contraintes et

lO applications spécifiques à chaque aéronef.

Un tel automatisme de cornmande peut être réalisé de façon traditionnelle bien connue pour réaliser les fonctions sus-décrites et n'a pas à être

décrit plus en détail.

L'invention peut faire l'objet de très nombreuses variantes de réalisation par rapport aux exemples non limitatifs décrits ci-dessus et représentés sur les figures. Par exemple, la boucle de condensation 5 peut être réalisée de façon très différente, ou voire même être supprimée si cela est possible. Le deuxième étage de turtine 23 permettant de récupérer l'énergie peut

être aussi accouplé à un ventilateur.

De même, le dispositif de conditionnement peut comprendre plus de deux étages de turbines et/ou plus de deux étages de compression, c'est-à dire plus de deux turbomachines 1, 2. En tout état de cause, l'étage de turtine de plus basse pression d'alimentation sera utilisé en tant que deuxième étage de turbine pour la récupération d'énergie par alimentation à partir d'air provenant de

la cabine 30 comme décrit ci-dessus, en mode économique.

En outre, l'air extrait de la cabine 30 par la conduite 68 et alimenté à l'entrée 67 du deuxième étage de turbine 23 peut être éventuellement traité, -notamrnent nettoyé, désinfecté, filtré...- et même chauffé ou refroidi avant passage dans le deuxième étage de turbine 23. Il peut par exemple être utilisé pour traverser un échangeur de chaleur avant d'arriver à l'entrée 67 du

deuxième étage de turbine 23.

Par ailleurs, en mode froid, on peut, contrairement à 1'exemple donné cidessus dans le tableau 1, fermer la vanne V2 et ouvrr la vanne V10 et activer le ventilateur 32 de recirculation, de façon à utiliser en partie l'échangeur cabine 9, avec un débit réduit (par exemple de l'ordre de 50% du débit total entrant dans la cabine 30) plus faible que le déDit élevé utilisé avec le mode turbo-Éoid. Le flux de calories allant de l'air de la cabine au circuit d'air réfrigérant 9a est plus faible en mode froid que le flux élevé créé en mode turbo froid. Le mode Doid est ainsi un mode, dit mode normal, comparativement au mode turbo-froid. Il en va de même du mode économique et du mode de dégivrage, chacun d'eux étant qualifé de mode normal par rapport au mode turbo-froid. En mode économique et en mode de dégivrage, le déhit cTrculant dans le circuit de refroidissement 9b de l'échangeur cabine 9 est nul, le ventilateur 32 de circulation étant inactivé. En outre, à la place d'un échangeur cabine 9 unique, on peut utiliser des moyens d'échange thermique plus 1S complexes entre le circuit d'air rétrigérant 9a incorporé dans le circuit pneumatique d'alimentation de la cabine et le circuit de refroidissement 9b. Par exemple, on peut prévoir deux échangeurs thermiques distincts reliés par un circuit de transport calorifique commun comprenant un fluide frigorigène (avec des moyens de réfrigération intermédiaire) ou non Digorigène, l'un de ces échangeurs comprenant le circuit d'air réfrigérant 9a tandis que l'autre comprend le circuit de refroidissement 9b, ce dernier pouvant être totalement incorporé

dans la cabine 30.

On peut aussi en variante ajuster la vitesse des deux moteurs 12, 22, par exemple en asservissant la vitesse du moteur 12 sur celle du moteur

22. Dans d'autres variantes, l'un des deux moteurs 12 ou 22 peut étre supprimé.

Enfin, l'air alimentant le di spositif de conditi onnement d' air provient de préférence (directement) intégralement de la source 15 d'air atmosphérique extérieur (qui n'est pas préalablement comprimé mécaniquement ni issu des turboréacteurs). En variante, une fraction de l'air peut néanmoins provenir des étages de compression des turboréacteurs ou de moyens de

compression mécanique préalable autres que ceux des deux turbomachines sus-

décrites.

Claims (20)

RÉVENDICATIONS

1/ - Procédé de conditionnement d'air pour contrôler la température et la pression de l'air dans une cabine (30) d'aéronef à partir d'au moins une source (15) d'air, mis en _uvre dans un dispositif de conditionnement d'air comprenant: - - au moins un étage de turbine (13, 23) de détente/refroidis sement comprenant au moins une entrée d' air et au rnoins une sortie d'air (58, 71) détendu et refroidi, chaque étage de turtine (13, 23) étant accouplé à des moyens (11, 21) de compression mécanique d'air, de façon à participer à leur entrâînement, - des moyens (12, 22) moteurs à énergie non pneumatique accouplés aux moyens (11, 21) de compression de façon à participer à leur entrainement, - un circuit pneumatique d'alimentation de la cabine à conduites et vannes commandées, adapté pour pouvoir alimenter les moyens (11, 21) de compression à partir d'un débit d'air en provenance de la source (15) d'air, alimenter au moins un étage de turbine (13) à partir d'un détit d'air comprimé issu des moyens (11, 21) de compression, et alimenter au moins une entrée d'air (33) de la cabine (30) avec de l'air en provenance de la sortie d'air (71) d'au moins un étage de turbine (23), et dans lèquel on commande les vannes commandées du circuit pneumatique d'alimentation de la cabine pour le configurer selon un mode de fonctionnement choisi parmi différents modes de fonctionnement correspondant chacun à des caractéristiques spécifiques de débit et/ou température et/ou pression du débit d'air délivré à la cabine (30), caractérisé en ce que le dispositif de conditionnement d'air comprenant: - au moins deux turbomachines (1, 2) distinctes comprenant chacune un étage de compression (11, 21) et un étage de turbine (13, 23) accouplé à l'étage de compression (11,21), l'une au moins des turbomachines étant motorisée et comprenant un moteur (12, 22) à énergie non pneumatique accouplé à l'étage de compression (11, 21), - on mesure au moins un paramètre représentatif de la différence de pression entre l' air dans la cabine et l'atmo sphère extérieure, dite écart de pression, lorsque l'écart de pression mesuré est supérieur à un seuil supérieur d'écart de pression, on active un mode de fonctionnement, dit mode économique, dans lequel: À l'étage de turbine, dit deuxième étage de turbine (23), d'au moins l'une des turbomachines, dite deuxième turbomachine (2), est alimenté exclusivement via des moyens, dits deuxièmes moyens (68, V4) d'alimentation, par un détit d'air provenant d'une sortie d'air (V12) de la cabine (30) et dont la pression est. aux pertes de charge près, celle de la pression d'air régnant dans la cabine (30), et Àla sortie d'air (71) du deuxième étage de turbine (23) est isolée du circuit pneumatique d'alimentation de la cabine (30), de sorte qu'aucun débit d'air alimenté dans la cabine (30) ne provient de la sortie d'air (71) du deuxième étage de turbine (23), - lorsque l'écart de pression mesuré est inférieur à un seuil inférieur d'écart de pression, on active un mode de fonctionnement, dit mode froid, dans lequel les étages de compression (11, 21) des turbomachines (1, 2) sont reliés en série à partir de la source (15) d'air, et on ajuste la vitesse d'entranement d'au moins un moteur (12, 22) de turbomachine (1, 2) de façon à ajuster la puissance frigorifique délivrce par le dispositif de conditionnement d'air, et dans lequel le deuxième étage de turtine (23) est incorporé dans le circuit

pneumatique d'alimentation de la cabine (30).

2/ - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en mode économique, on alimente le deuxième étage de turtine (23) par un débit d'air provenant de la cabine (30) directement via une conduite (68) et une vanne commandée (67) de façon à entrer dans le deuxième étage de turtine (23) au moins sensiblement à la pression et à la température de l'air régnant dans la

cabine (30), aux pertes de circulation près.

- 3/- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,

caractérisé en ce que, en mode froid, on alimente le deuxième étage de turbine (23) par un débit d'air provenant de la sortie d'air (58) d'au moins un autre étage de turbine, dit premier étage de turDine (13), ce débit d'air arrivant à l'entrée (66) du deuxième étage de turbine (23) au moins sensiblement à la même pression qu'à la sortie (58) du premier étage de turbine (133, aux pertes de charge près, et on délivre à la cabine (30) au moins une fraction du débit d'air issu de la sortie

d'air (71) du deuxième étage de turbine (23).

4/ - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième turbomachine (2) étant motorisée, le premier étage de turtine (13) appartient à une première turbomachine (1) motorisée comprenant un moteur

(12) distinct du moteur (23) de la deuxième turbomachine (2).

/- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé

en ce qu'on ajuste la vitesse d'entrâînement d'un seul moteur (12, 22) de

turbomachine.

6/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé

en ce qu'en mode froid, on n'alimente pas le deuxième étage de turbine (23) par

de l'air provenant de la cabine (30).

7/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé

en ce qu'on ajuste le seuil inférieur d'écart de pression et/ou le seuil supérieur d'écart de pression de façon à ajuster la puissance frigorifique délivrée par le

di sp o sitif de conditi onnement d' air.

8/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé

en ce qut en mode économique, on utili se au moins une fraction du débit d'air 2s sortant du deuxième étage de turbine (23) en tant que source froide d'au moins un

échangeur de chaleur (3).

9/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé

en ce que, au moins en mode froid, on refroidit l'air comprimé délivré par les étages de compression (11, 21), en le faisant traverser un circuit de retroidissement d'au moins un échangeur de chaleur? dit échangeur intermédiaire (3), avant de le délivrer à l'entrée d'air d'au moins un étage de turbine (13, 23) incorporé au circuit pneurnatique d'alimentation de la cabine (30), et en ce que, en mode économique, on utilise au rnoins une fraction du détit d'air sortant du deuxième étage de turbine (23) en tant que source froide de cet échangeur

intermédiaire (3).

S 10/ - Dispositif de conditionnement d'air adapté pour contrôler la température et la pression de l'air dans une cabine (30) d'aéronef à partir d'au moins une source (15) d'air comprenant: - au moins un étage de turbine (13, 23) de détente/retroidissement comprenant au moins une entrée d' air et au rnoins une sortie d'air (58, 71) détendu et refroidi, chaque étage de turDine (13, 23) étant accouplé à des moyens (11, 21) de compression mécanique d'air, de façon à participer à leur entraînement, des moyens (12, 22) moteurs à énergie non pneumatique accouplés aux moyens (11, 21) de compression de façon à participer à leur entrainement, - un circuit pneumatique d'alimentation de la cabine à conduites et vannes commandées, adapté pour pouvoir alimenter les moyens (11, 21) de compression à partir d'un débit d'air en provenance de la source (15) d'air, alimenter au moins un étage de turbine (13) à partir d'un débit d'air comprimé issu des moyens (11, 21) de compression, et alimenter au moins une entrée d'air (33) de la cabine (30) avec de l'air en provenance de la sortie d'air (71) d'au mons un étage de turbne (23), - - des moyens de commande automatique des vannes commandées du circuit pneurnatique adaptés pour configurer le circuit pneumatique d'alimentation de la cabine (30) selon différents modes de fonctionnement correspondant chacun à des caractéristiques spécifiques de débit et/ou température et/ou pression du débit d'air délivré à la cabine (30), caractérisé en ce qu'il comprend: au moins deux turbomachines (1, 2) distinctes comprenant chacune un étage de compression (11, 21) et un étage de turbine (13, 23) accouplé à l'étage de compression (11, 21), l'une au moins des turbomachines étant motorisée et comprenant un moteur (12, 22) à énergie non pneumatique accouplé à l'étage de compression (11, 21), - des moyens de mesure d'au moins un paramètre représentatif de la différence, dite écart de pression, entre la pression de l' air dans la cabine (30) et la pression atmosphérique extérieure, et en ce que les moyens de commande automatique et le circuit pneumatique d'alimentation de la cabine sont adaptés pour: - lorsque l'écart de pression mesuré est supérieur à un seuil supérieur d'écart de pression, activer un mode de fonctionnement, dit mode économique, dans lequel: À l'étage de turbine, dit deuxième étage de turbine (23) d'au moins l'une des turbomachines, dite deuxième turbomachine, est alimenté exclusivement via des moyens, dits deuxièmes moyens (68, V4) d'alimentation, par un débit d'air provenant d'une sortie d'air (V12) de la cabine (30) et dont la pression est. aux pertes de charge près, celle de la pression d'air régnant dans la cabine (30), et À la sortie d'air (71) du deuxième étage de turbine (23) est isolée du circuit pneumatique d'alimentation de la cabine (30), de sorte qu'aucun déhit d'air alimenté dans la cabine (30) ne provient de la sortie d'air (71) du deuxième étage de turtine (23), - lorsque l'écart de pression mesuré est inférieur à un seuil inférieur d'écart de pression, activer un mode de fonctionnement, dit mode froid, dans lequel les étages de compression (11, 21) des turbomachines (1, 2) sont reliés en série à partir de la source (15) d'air, et la vitesse d'entrâînement d'au moins un moteur (12, 22) de turbomachine (1, 2) est ajustée de façon à ajuster la puissance frigorifique délivrée par le dispositif de conditionnement d' air, et dans lequel le deuxième étage de turbine (23) est incorporé dans le circuit

pneumatique d'alimentation de la cabine (30).

11/ - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens (68, V4) d'alimentation consistent en une conduite (68) reliant la sortie d'air (V12) de la cabine (30) à une entrce d'air (67) du

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deuxième étage de turbine (23) et une vanne commandée (V4) interposée sur cette conduite (68), l'air alimenté dans le deuxième étage de turbine (23) par les deuxièmes moyens (68, V4) d'alimentation en mode économique étant, aux pertes de circulation près, au moins sensiblement à la pression et à la ternpérature de l'air régnant dans la cabine (30).

12/- Dispositif selon l'une des revendications 1O ou 11,

caractérisé en ce que, en mode froid, le deuxième étage de turbine (23) est alimenté via des moyens, dits premiers moyens (59, 62, 63, 64, 65, V2, V3) d'alimentation, par un détit d'air provenant de la sortie d'air (58) d'au moins un autre étage de turbine, dit premier étage de turbine (13), et le circuit pnenmatique (V2, 63, 64, V6, V13, 65, V3, 72, 73, V8, 78) d'alimentation cabine délivre à la cabine (30) au moins une fraction du débit d'air issu de la sortie d'air (71) du

deuxième étage de turbine (23).

13/ - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la deuxième turbomachine (2) est motorisée et le premier étage de turDine (23) appartient à une première turbomachine (1) motorisée comprenant un

moteur (12) distinct du moteur (23) de la deuxième turbomachine (2).

14/ - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13,

caractérisé en ce que la deuxième turbomachine (2) est motorisée, et les moyens de commande automatique sont adaptés pour aJuster la vitesse d'entranement

d'un seul moteur (12 ou 22) de turbomachine.

/- Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14,

caractérisé en ce que, en mode froid, le deuxième étage de turbine (23) n'est pas

alimenté par les deuxièmes moyens (68, V4) d'alimentation.

16/-Dispositif selon l'une des revendications 10 à 15,

caractérisé en ce que, en mode froid, les premiers moyens (59, 62, 63, 64, 65, V2, V3) d'alimentation sont adaptés pour fournir à l'entrée (66) du deuxième étage de turbine (23), un débit d'air qui est au moins sensiblement, aux pertes de charge

près, à la pression de l'air à la sortie (58) du premier étage de turbine (13).

17/- Dispositif selon l'une des revendications 10 à 16,

caractérisé en ce que les moyens de commande automatique sont adaptés pour ajuster le seuil inférieur d'écart de pression et/ou le seuil supérieur d'écart de pression de façon à ajuster la puissance frigorifique délivrée par le dispositif de

conditionnement d'air.

18/ - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 17,

caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (V8, 75) adaptés pour délivrer, en mode économique, au moins une fraction du déhit d'air issu de la sortie d'air (71) du deuxième étage de turbine (23) à un cTrcuit de source froide d'au moins un

échangeur de chaleur (3).

19/-Dispositif selon l'une des revendications 10 à 18,

caractérisé en ce qu'il comprend: - un échangeur de chaleur, dit échangeur de chaleur intermédiaire -(3), associé thermiquement à une source froide, cet échangeur intermédiaire (3) comprenant un circuit de retroidissement ayant une entrée d'air (47) reliée à la sortie d'air (45) des moyens (11, 21) de compression d'air mécanique, et une sortie (48) d'air refroidi, des moyens (49, 5) pour délivrer le débit d'air retroidi issu de la sortie (48) d'air refroidi de l'échangeur intermédiaire (3) à l'entrée d'air (57) d'au moins un étage de turbine (13) incorporé au circuit pneumatique d'alimentation de la cabine, et - des moyens (8, 75) adaptés pour, en mode économique, délivrer au moins une fraction du débit d'air issu de la sortie d'air (71) du deuxième étage de turtine (23) à un cTrcuit de source froide (3a) de l'échangeur

intermédiaire (3).

/ - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 19,

caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (9) d'échange thermique comprenant un circuit de source froide (9a) adapté pour être interposé au moins dans un mode de fonctionnement entre la sortie d'air (58) du premier étage de turtine (13) et l'entrée d'air (66) du deuxième étage de turbine (23), de façon à 8tre traversé par un débit d'air rétrigérant, ces moyens (9) d'échange thermique étant aussi adaptés pour créer un flux de calories depuis l'air de la cabine (30) vers le circuit de

source froide (9a).

21/- Dispositif selon l'une des revendications 10 à 20,

caractérisé en ce que les étages de turtine (13, 23) sont agencés de telle sorte que la pression de l'air délivré par ces étages de turDine (13, 23) est la plus faible en sortie (71) du deuxième étage de turbine (23), dit deuxième étage de turtine basse pression.

22/ - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 21,

caractérisé en ce que les moyens moteurs (12, 22) sont constitués d'au moins un

moteur électrique.

23/ - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 22,

caractérisé en ce qu'un étage de compression (4) d'une turbomachine motorisée (2), dit étage de compression basse pression (21), comprend une enkée d'air (41) reliée à la source (15) d'air extérieur, et au moins un autre étage de compression (11) d'une autre turbomachine motorisée (2), dit étage de compression haute pression (11), comprend une entrée d'air (44) adaptée pour pouvoir être reliée, dans au moins un mode de fonctionnement, à une sortie d'air (42) de l'étage de compression basse pression (21) de sorte qu'au moins une fraction du déhit d'air issu de la sortie d'air (42) de l'étage de compression basse pression (21) soit délivrée à l'entrée (44) de l'étage de compression haute pression (11), et en ce que le deuxième étage de turbine (23) appartient à la turbomachine motorisce (2) comprenant l'étage de compression basse pression (21) et participe à son

entra^nement en mode économique comme en mode froid.

24/- Dispositif selon les revendications 12 et 23, caractérisé

en ce que le premier étage de turbine (13) appartient à la turbomachine motorisée (1) comprenant l'étage de compression haute pression (11), et participe à son entra^nement.

/ - Dispositif selon l'une des revendications l O à 24,

caractérisé en ce qu'il comprend de s moyens (5) de condensation de l' eau interposés entre la sortie d'air (45) des moyens (11, 21) de compression d'air

mécanique et l'entrée d'air (57) du premier étage de turbine (13).

26/- Dispositif selon la revendication 25, caractérisé en ce que les moyens (5) de condensation comprennent un échangeur de chaleur (7) adapté pour être traverse par un débit d'air issu de la sortie d'air (71) du deuxième