FR3127261A1 - AIR COMPRESSION DEVICE FOR AN AIRCRAFT - Google Patents
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Abstract
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 4The invention relates to an air compression device (401) for an aircraft. The described device comprises an electric compressor (403) configured to generate, at a first air outlet (405), via a first compression wheel (407) mounted on a first shaft (409) driven by an electric motor (411), a first flow of compressed air (413), and a turbocharger (415) comprising a second compression wheel (417) and a turbine (419) mounted on a second shaft (421), and configured to generate, at a second air outlet, via the second compression wheel (417), a second flow of compressed air (423). In addition, the turbocharger (415) is independent and separate from the electric compressor (403) and the second compression wheel (417) is powered by the first flow of compressed air (413) from the first air outlet (405 ) of the electric compressor (403). Figure for abstract: Figure 4
Description
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the 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.The invention relates to the field of systems used to compress air in a vehicle and relates, in particular, to an air compression device for an aircraft.
Arrière-plan techniqueTechnical background
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.Some current aircraft are said to be "bleedless", that is to say they do not use an air bleed, and more particularly a compressed and heated air bleed produced by a gas turbine, to supply systems of the aircraft such as the cabin pressurization system for example. This type of operation for an aircraft notably makes it possible to save fuel by reducing the weight of the aircraft.
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.In this context, it is known to use an electric compressor to produce the compressed air which is used in the systems of the aircraft and which no longer comes from an engine air bleed.
A titre d’exemple, la
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.In the example shown, the flow of compressed air 113, emitted at the air outlet 115, supplies a system 117 of an aircraft (not shown) which requires compressed air for its operation.
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.By way of example, a more detailed description of such an electric compressor can be found in patent FR-B1-3 045 111 in particular.
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.Typically, for an electric compressor such as this one, the compression ratio (i.e. the ratio of the air pressure at the outlet of the device to the air pressure at the inlet of the device) achievable is, for example, 3.5 at most.
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.However, to reach such a value, the electric compressor must consume, for example, a power of approximately 8 kilowatts and the temperature of the air circulating from the electric compressor which achieves such a compression rate, goes from ambient temperature (about 20° C.) at the air inlet to a high temperature (for example about 300° C.) at the air outlet of the electric compressor due to the compression ratio.
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.Therefore, such an electric compressor may require the use of a dedicated cooling system, that is to say an active cooling system additional to the electric compressor, which supplies a gas or a liquid to the electric compressor adapted to cool its components and in particular the motor and the power electronics to prevent its degradation.
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.In addition, some air compression devices also use a turbine to recover energy from the air leaving the aircraft system supplied by the compressed air flow and thus improve the performance of the device.
La
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.In addition, after supplying a system 213 of the aircraft, the flow of compressed air 209b, leaving the system, is recovered by a turbine 215 which is integrated into the air compression device 201. The compression wheel 207 and the turbine 215 are mounted on the same shaft 217 of the air compression device 201. And the turbine makes it possible to recover part of the energy used to supply an aircraft system.
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.Due to the improved efficiency obtained through the use of the turbine, such a device makes it possible to obtain a higher compression ratio for the same power consumption.
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.However, also in this configuration, the temperature of the compressed air flow generated at the outlet is very high, for example around 250°C, and may therefore require the use of a dedicated cooling system to cool certain components of the air compression device.
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.FIGS. 3A and 3B represent air compression devices called two-stage compressors respectively comprising air cooling and water cooling. Such a device is also called a motor-turbo-compressor. Some elements are only visible in one of the two figures and elements with the same function have the same reference in the 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).For the air compression devices 301 and 303, the airflow admitted at the level of the air inlet 305 is compressed by the compression wheel 307. The compressed airflow 309a leaves by the outlet of air 311 and supplies compressed air to a system 313 of an aircraft (not shown).
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.In addition, the flow of compressed air 309b leaving the system 313 is recovered at the level of an air inlet 311 of a 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.The compression wheel 307 and the turbine 313 are mounted on the same shaft secured to a permanent magnet rotor 315 which is driven in rotation by the magnetic field generated by a stator 317. The stator 317 and the permanent magnet rotor 315 form an electric motor 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.Finally, the air compression devices 301 and 303 both incorporate at least one inlet/outlet 319 intended to allow the admission/ejection of air or cooling water, for example at ambient temperature, in the device.
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.Indeed, the air compression devices described require the use of a dedicated cooling system to avoid the deterioration of certain components due to temperatures that are too high to be supported by said components.
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.A possible variant of such an air compression device, making it possible both to maintain high efficiency and also to achieve high compression ratios, consists in integrating a turbine into a so-called multi-stage electric compressor that is i.e. an electric compressor integrating several compression wheels in series. In particular, the addition of a turbine leads to significant technical integration difficulties insofar as the realization of a shaft with three stages is particularly complex.
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).In all the solutions described above, the known air compression devices involve the use of dedicated cooling systems when they target high compression ratios (for example ratios greater than or equal to 3.5) and limited power consumption (less than or equal to 3 kilowatts).
La présente invention propose une solution à ces inconvénients.The present invention proposes a solution to these drawbacks.
À cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif de compression d’air pour un aéronef, comprenant :To this end, according to a first aspect, the invention relates to an air compression device for an aircraft, comprising:
- 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- an electric compressor configured to generate, at a first air outlet, via a first compression wheel mounted on a first shaft driven by an electric motor, a first flow of compressed air, and
- 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,- a turbocharger comprising a second compression wheel and a turbine mounted on a second shaft, and being configured to generate, at a second air outlet, via the second compression wheel, a second flow of 'pressurized air,
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.said air compression device being characterized in that the turbocharger is independent and separate from the electric compressor and in that the second compression wheel is powered by the first flow of compressed air coming from the first air outlet of the compressor electric.
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 :The air compression device according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or in combination with each other:
- 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.- the second flow of compressed air is intended to supply at least one system of the aircraft comprised among a cabin pressurization system, a tank inerting system and a combustion cell.
- le compresseur électrique est mono-étagé.- the electric compressor is single-stage.
- le compresseur électrique est dépourvu d’un système de refroidissement dédié.- the electric compressor does not have a dedicated cooling system.
- le turbocompresseur est mécanique.- the turbocharger is mechanical.
- le turbocompresseur est adapté pour supporter des températures élevées, de préférence jusqu’à 600°C.- the turbocharger is adapted to withstand high temperatures, preferably up to 600°C.
- le compresseur électrique est configuré pour réaliser un premier taux de compression déterminé.- the electric compressor is configured to achieve a first determined compression ratio.
- le turbocompresseur est configuré pour réaliser un second taux de compression déterminé.- the turbocharger is configured to achieve a second determined compression ratio.
L’invention concerne également, selon un second aspect, un aéronef comprenant un dispositif de compression d’air selon le premier aspect.The invention also relates, according to a second aspect, to an aircraft comprising an air compression device according to the first aspect.
De manière optionnelle, l’aéronef peut comprendre des éléments refroidis par un flux d’air issu de la turbine du turbocompresseur.Optionally, the aircraft may include elements cooled by an air flow from the turbine of the turbocharger.
Brève description des figuresBrief description of 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 :The present invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the description of a non-limiting example which follows, with reference to the appended drawings in which:
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation ont les mêmes références dans les figures.The elements having the same functions in the different embodiments have the same references in the figures.
Claims (10)
- 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).Air compression device (401) for an aircraft, comprising:
- an electric compressor (403) configured to generate, at a first air outlet (405), via a first compression wheel (407) mounted on a first shaft (409) driven by a electric motor (411), a first flow of compressed air (413), and
- a turbocharger (415) comprising a second compression wheel (417) and a turbine (419) mounted on a second shaft (421), and being configured to generate, at a second air outlet, by the intermediate the second compression wheel (417), a second flow of compressed air (423),
said air compression device (401) being characterized in that the turbocharger (415) is independent and separate from the electric compressor (403) and in that the second compression wheel (417) is powered by the first flow of compressed air (413) from the first air outlet (405) of the electric compressor (403).
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