WO2015114266A1 - Alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef a partir de son turbopropulseur - Google Patents

Alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef a partir de son turbopropulseur Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to the air supply of an air conditioning circuit of a cabin of an aircraft which is equipped with at least one turboprop engine.
  • a turboprop comprises at least one low pressure body and a high pressure body, the low pressure body driving a propulsion propeller through a gear box or reduction box, commonly called PGB (for Power Gear Box).
  • the low pressure body comprises a turbine rotor connected by a shaft to the propeller and possibly to a compressor.
  • Each other body comprises a compressor rotor connected by a shaft to a turbine rotor.
  • the air conditioning circuit is powered by air taken from one of the turboprop compressors.
  • the pressure of the air supplied to the aircraft greatly exceeds the need, in particular during the climb phase of the aircraft, which requires protection devices in the event of overpressure and dimensioning of the air ducts accordingly ,
  • the temperature of the air taken at the compressor greatly exceeds the regulatory constraint (maximum temperature when passing through the fuel zones), which requires a cooling device that is difficult to integrate into the nacelle (generally called pre-cooler - from English precooler) before sending air into the aircraft circuit, - a significant amount of energy is lost which penalizes the consumption and the efficiency of the turboprop,
  • AGB Accessory Gear Box
  • the present invention provides a simple, effective and economical solution to at least some of the problems of prior art.
  • the invention proposes an aircraft turboprop, comprising at least one low pressure body and a high pressure body, or even an intermediate pressure body, at least one of said bodies comprising a compressor, the low pressure body driving a propulsion propeller by via a first gearbox, the turboprop engine further comprising means for supplying air to an air conditioning circuit of a cabin of the aircraft, characterized in that said means for supply comprises at least one charge compressor whose rotor is coupled to the low-pressure body, said compressor comprising an air inlet connected to means for withdrawing air from:
  • turboprop compressor when all of said bodies has only one compressor, or - In the compressor of the low pressure body or the intermediate pressure body of the turboprop, when all of said body comprises at least two compressors.
  • the air sampling takes place in the first stage or the first stages of the compressor, which makes it possible to limit the need for compression of the charge compressor.
  • the charge compressor can thus be smaller, in order to improve its compression efficiency. It is also easier to cool the air for the cabin of the aircraft.
  • the invention also makes it possible to reduce the section of the air bleed pipe in the compressor, compared to that of the previous pipe, because of the higher pressure of the air taken.
  • the compressor rotor can be coupled to the low pressure body via the first gearbox.
  • the compressor rotor is coupled to the low pressure body via a second gearbox
  • the present invention thus proposes a new technology for supplying air to an air conditioning circuit of an aircraft cabin.
  • This air is supplied by a compressor, preferably dedicated to the air supply of the cabin, and no longer taken from a turboprop compressor, which penalizes performance less.
  • the rotor of this dedicated compressor is rotated by the low pressure body, via a gearbox, such as the (first) gearbox which connects the low pressure body to the propeller propeller.
  • a gearbox such as the (first) gearbox which connects the low pressure body to the propeller propeller.
  • the speed of rotation of the low pressure body is particularly constant during the same flight phase.
  • Phase of flight is a phase during which the aircraft operates a single type of maneuver.
  • the rotational speed of the rotor of the dedicated compressor will not depend on the operating conditions, and the dedicated compressor will be able to provide a flow of air at the minimum required pressure to the conditioning circuit, even at idle.
  • the dedicated compressor may be one or more stages, each of any type, for example an axial or centrifugal stage.
  • the compressor may comprise an air inlet connected to means for withdrawing air between an air intake sleeve and a turboprop compressor.
  • a heat exchanger for example of the pre-cooler type, can be mounted either upstream or downstream of the dedicated compressor.
  • a heat exchanger may be mounted between two compressors or two stages of compressor (if the latter comprises at least two), one of which may be formed by said charge compressor.
  • the two compressors or two compressor stages can compose the dedicated charge compressor, in particular for the air supply of the cabin.
  • the exchanger is disposed between the low pressure compressor or intermediate pressure and the dedicated compressor.
  • the charge compressor may comprise an air outlet connected to a pipe intended to be connected to said circuit.
  • This pipe may be equipped with at least one flow control system, for example a valve. It can be equipped with a heat exchanger, for example of the pre-cooler type.
  • This pre-cooler can be simplified and be less cumbersome than in the prior art because the supply air of the dedicated compressor can have a relatively low temperature compared to the prior art. It is also conceivable that the air pressure exiting the dedicated compressor is close to the air pressure in the conditioning circuit, and therefore relatively low, which simplifies the pipe and in particular to use a pipe thin-walled to obtain a mass gain over the prior art.
  • the turboprop engine may comprise a pneumatic starter of which an air inlet is connected to said pipe.
  • the rotor of the pneumatic starter is coupled to the high pressure body by an accessory box and supplied with air by the aircraft via said pipe.
  • Valves allow the exclusive powering of the starter.
  • the present invention also makes it possible to feed the pneumatic starter via the pipes of the air conditioning circuit.
  • the present invention also relates to a method of supplying air to an air conditioning circuit of a cabin of an aircraft which is equipped with at least one turboprop engine comprising at least one low pressure body and a high pressure body , or even an intermediate pressure body, at least one of said bodies comprising a compressor, the low pressure body driving a propulsion propeller through a first gearbox, characterized in that it comprises the steps of to draw air in the compressor turboprop, when all of said bodies has only one compressor, either in the compressor of the low pressure body or the intermediate pressure body of the turboprop, when all of said bodies comprises at least two compressors, feed at least one dedicated charge compressor with the air drawn, and driving a rotor of said charge compressor by the low pressure body of the turboprop.
  • FIG. 1 is a very diagrammatic view of an aircraft turboprop engine and represents means for supplying air to an air conditioning circuit of a cabin of the aircraft, according to the prior art
  • FIG. 2 is a very diagrammatic view of a gearbox for driving the dedicated compressor of the air supply means according to the invention
  • FIG. 3 is a very schematic view of an aircraft turboprop engine and represents means for supplying air to an air conditioning circuit of a cabin of the aircraft, according to an embodiment of the invention. 'invention,
  • FIGS. 4a, 4b and 4c are very schematic views of alternative embodiments of the air supply means of the aircraft according to the invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the evolution of the air temperature taken as a function of entropy
  • FIG. 6 is a view similar to that of Figure 3 and shows an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 1 represents a turboprop 10 according to the prior art, for an aircraft.
  • the turboprop 10 here is of the double-body type and comprises a low-pressure body 12 and a high-pressure body 14, the low-pressure body 12 driving a propulsion propeller through a gearbox 16 or reduction gearbox. commonly called PGB (for Power Gear Box). Only the shaft 18 of the propulsion propeller is shown in FIG.
  • the low pressure body 12 here comprises only a turbine rotor connected by a shaft to the gearbox 16.
  • the high pressure body 14 comprises a compressor rotor connected by a shaft to a turbine rotor.
  • the shaft of the low pressure high body 14, called HP shaft 20 is tubular and coaxially traversed by the shaft of the low pressure body 12, called BP 22 or power shaft.
  • the BP shaft 22 comprises at one end a pinion (not shown) coupled through a series of pinions of the gearbox 16 to the shaft 18 of the propulsion propeller.
  • the turboprop engine 10 comprises an accessory equipment drive case 24 (called accessory gearbox or AGB for Accessory Gear Box) which is coupled to the high pressure body of the turbomachine 14, and in particular to the HP shaft, by the
  • accessory housing 24 is mounted in the nacelle 28 of the turboprop 10, which is schematically represented by a rectangle in dashed lines.
  • Accessory case 24 carries and drives several equipment including a pneumatic starter 30 which, as the name suggests, is intended to start the turboprop 10 by rotating its high pressure body, through the housing of accessories 24 and radial shaft 26.
  • a pneumatic starter 30 which, as the name suggests, is intended to start the turboprop 10 by rotating its high pressure body, through the housing of accessories 24 and radial shaft 26.
  • the turboprop engine 10 further comprises an air inlet 32 for supplying the engine with air, and a exhaust nozzle 34 for exhausting the engine gases. combustion.
  • the turboprop engine further comprises a combustion chamber 35 between the compressors BP and HP, on the one hand, and the turbines HP and BP, on the other hand.
  • the turboprop 10 is furthermore equipped with means for supplying air to an air conditioning circuit 36 of a cabin of the aircraft, these means comprising, according to the prior art, means for withdrawing air from the turboprop engine 1 0.
  • the turboprop engine 1 0 is equipped with two ports 38 or compressed air sampling port, each of these ports 38 being connected by a valve 40, 42 to a pipe 44 of air supply circuit 36.
  • the first port 38 or upstream port (with reference to the direction of flow of gas in the engine) allows to take air at an intermediate pressure.
  • the valve 40 connected to this pipe 44 is of the non-return valve type.
  • the second port 38 or downstream port allows to take air at high pressure.
  • the valve 42 connected to this pipe 44 is open when the pressure of the air drawn by the valve 40 is not sufficient, the air taken by the valve 42 being prevented from being reinjected upstream by the anti-return function of the valve of the valve 40.
  • the pipe 44 is equipped with a valve 46 which regulates the supply pressure of the circuit 36, and a heat exchanger 47 of the pre-cooler type, which is intended to lower the temperature of the air before its introduction into the the circuit 36.
  • the pipe 44 is further connected by a pipe 48 equipped with a valve 50 to an air inlet of the pneumatic starter 30.
  • the pipe 44 passes through an anti-fire wall 52 before being connected to the circuit 36 .
  • the present invention overcomes these disadvantages by equipping the turboprop engine with a dedicated compressor, called a compressor load, whose rotor is coupled to the low-pressure body of the engine via the gearbox.
  • FIG. 3 represents an embodiment of this invention, in which the elements already described in the foregoing are designated by the same references.
  • the turboprop of FIG. 3 can be of the same type as that represented in FIG. 1 or of a different type. It can for example include more than two bodies.
  • the low pressure body of the turboprop engine according to the invention may comprise a compressor BP.
  • the turboprop 310 of FIG. 3 differs from that of FIG. 1 essentially by the air supply means of the circuit 36.
  • These supply means here comprise a dedicated compressor 60 whose rotor 61 is coupled by the gearbox 16 to the low-pressure body 12 and in particular to the LP shaft 22.
  • the rotor shaft 61 of the compressor 60 may carry a pinion gear 61 engaged with a pinion 18a of the shaft 18 of the propeller of the turboprop 1 10, this shaft 18 carrying another pinion 18b meshing with a pinion 22a of the shaft.
  • BP 22 The pinions 18a, 18b, 22a, 61a are housed in the gearbox 16.
  • the compressor 60 includes an inlet 62 and an air outlet 64.
  • the air outlet 64 of the compressor 60 is connected to the air supply pipe 44 of the circuit 36.
  • this pipe 44 comprises a valve 46 which regulates the supply pressure of the circuit 36, and a heat exchanger 47 of the pre-cooler type, which is intended to lower the temperature of the air before its introduction into the circuit 36.
  • the pipe 44 is further connected by a pipe 48 equipped with a valve 50 at an air inlet of the pneumatic starter 30.
  • the air inlet 62 of the compressor 60 is connected by a pipe 72 to a port 74 for withdrawing air from a compressor of the engine.
  • a port 74 for withdrawing air from a compressor of the engine.
  • the air sampling can take place on the low pressure compressor, that is to say the compressor of the low-pressure body 12. This is particularly the case in a twin-turbine turboprop engine linked.
  • the turboprop is of the triple-body type (and comprises an intermediate pressure body of which a compressor would be arranged upstream of the high-pressure compressor) and free turbine, the air sampling could be carried out on the pressure compressor. intermediate.
  • the turboprop would be of the triple-body type (and would include an intermediate pressure body of which a compressor would be arranged upstream of the high-pressure compressor and downstream of the low-pressure compressor) and linked turbine, the air intake could be carried out on the low pressure or intermediate pressure compressor.
  • the air sampling could be carried out on the high-pressure compressor.
  • the primary idea is to benefit only from the first compression stage (preferably the fourth stage maximum) to limit the size and performance of the charge compressor. If possible, the lower pressure compressor is used to maximize the operability of the high pressure body or even the intermediate pressure body. Two successive compressions, respectively in the compressor of a body and in the charge compressor, makes it possible to improve the thermodynamic cycle.
  • the charge compressor 60 used in the context of the invention can be of any type and is for example a single or multi-stage axial compressor or a centrifugal compressor with one or more stages or a compressor. compound having one or more axial stages and one or more centrifugal stages. It is furthermore possible to use more than one charge compressor and for example two charge compressors connected in series.
  • FIGS. 4a to 4c show alternative embodiments of the invention concerning in particular the position of the heat exchanger 47.
  • the heat exchanger 47 can be mounted downstream of the compressor 60, FIG. that is to say on the pipe 44, as is the case in FIG. 2.
  • the heat exchanger 47 is mounted between two compressors 60a, 60b. Each compressor may comprise one or more stages to cover the two aforementioned cases. Each stage may be an axial or centrifugal stage.
  • the heat exchanger 47 is mounted upstream of the compressor 60, that is to say on the pipe 72 described with reference to FIG. 3. The heat exchanger 47 is thus mounted between the compressors (low pressure and load) which optimizes the cooling cycle of the air.
  • the compression made of the ambient air for sending to the aircraft is illustrated.
  • the withdrawn air must be compressed to bring it from the pressure P1 to the pressure P3 and an exchanger 47 is used to limit the outlet temperature.
  • C represents the air sample and D represents the output of the charge compressor 60. It can be seen that, if the heat exchanger is placed after all the compression (pre-cooler configuration A), it must dissipate more heat than if it is placed after a first less compression (configuration B inter-cooler), supplemented by a second compression to reach the pressure P3.
  • FIG. 6 represents another variant embodiment of the turboprop 410 according to the invention, which differs from that of FIG. 3 essentially in that the rotor 61 of the compressor 60 is coupled to the LP shaft 22, not by the control box. gears 16, but by another gearbox 80, which can be dedicated to perform this function of coupling the LP shaft to the rotor of the compressor 60.
  • the gearbox 80 can be coupled to the LP shaft 22 via a radial shaft 82.
  • the air supply of the circuit 36 may be carried out as follows, with any of the embodiments of the invention described in the foregoing.
  • the low pressure body 12 and its shaft 22 After starting the turboprop 310, 410, the low pressure body 12 and its shaft 22 generally rotate at a substantially constant speed.
  • the rotor of the compressor 60 is rotated at a substantially constant speed, which depends in particular on the reduction coefficient of the gearbox 16, 80.
  • the rotation of the rotor shaft 61 of the compressor 60 causes the suction and withdrawing air through line 72 to air inlet 62 of compressor 60.
  • This air is then compressed by compressor 60 which supplies line 44 with compressed air at a predetermined pressure.
  • the valve 46 regulates the supply pressure of the circuit 36.
  • the heat exchanger 47 makes it possible to lower the temperature of the air before it is introduced into the circuit 36 (FIG. 4a), before entering the compressor (FIG. 4c ) or between two compression phases ( Figure 4b).
  • the rotor shaft 61 of the compressor 60 rotates at a constant speed in the case where the rotational speed of the low pressure body 12 is also constant.

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Abstract

Alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef à partir de son turbopropulseur Turbopropulseur (310) d'aéronef, comportant au moins un corps basse pression (12) et un corps haute pression (14), voire également un corps à pression intermédiaire, au moins un desdits corps comportant un compresseur, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une première boîte d'engrenages (16), le turbopropulseur comportant en outre des moyens d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent au moins un compresseur (60) dont le rotor (61) est accouplé au corps basse pression, ledit compresseur de charge (60) comprenant une entrée d'air (62) reliée à des moyens (72) de prélèvement d'air dans : le compresseur du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps ne comporte qu'un seul compresseur, ou dans le compresseur du corps basse pression ou du corps à pression intermédiaire du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps comporte au moins deux compresseurs.

Description

Alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef à partir de son turbopropulseur
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne l'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef qui est équipé d'au moins un turbopropulseur.
ETAT DE L'ART
A bord d'un aéronef, il est nécessaire d'avoir à disposition de l'air afin de pouvoir réaliser certaines fonctions, telles que le conditionnement d'air de la cabine de pilotage et de la cabine des passagers ou le dégivrage de certains organes de l'aéronef. A hautes altitudes, l'oxygène se raréfie et la pression de l'air baisse. Ceci implique, pour assurer le confort et la survie des passagers lors d'un vol, de pressuriser les cabines de l'aéronef. Pour cela, de l'air avec un niveau minimum de pression (en général entre 0,8 et 1 bar) et une température maîtrisée (exigence réglementaire) doit être fourni au circuit de conditionnement d'air. Un aéronef est ainsi équipé d'un circuit de conditionnement d'air qui est alimenté par le ou les moteurs de l'aéronef, qui sont des turbopropulseurs dans le cadre de l'invention.
Typiquement, un turbopropulseur comprend au moins un corps basse pression et un corps haute pression, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une boîte d'engrenages ou boîte de réduction, appelée couramment PGB (pour Power Gear Box). Le corps basse pression comprend un rotor de turbine relié par un arbre à l'hélice et éventuellement à un compresseur. Chaque autre corps comprend un rotor de compresseur relié par un arbre à un rotor de turbine.
Dans la technique actuelle, le circuit de conditionnement d'air est alimenté par de l'air prélevé sur un des compresseurs du turbopropulseur. Ceci présente toutefois des inconvénients parmi lesquels les plus importants sont : - la pression de l'air fourni à l'aéronef dépasse largement le besoin, notamment lors de la phase de montée de l'aéronef, ce qui nécessite des dispositifs de protection en cas de surpression et un dimensionnement des canalisations d'air en conséquence,
- la température de l'air prélevé, au niveau du compresseur, dépasse largement la contrainte réglementaire (température maximale au passage dans les zones carburant), ce qui nécessite un dispositif de refroidissement difficile à intégrer dans la nacelle (généralement appelé pré-refroidisseur - de l'anglais precooler) avant envoi de l'air dans le circuit de l'aéronef, - une énergie importante est perdue ce qui pénalise la consommation et le rendement du turbopropulseur,
- la pression dans le compresseur baisse au ralenti ce qui nécessite soit de relever le niveau de ralenti du turbopropulseur pour avoir suffisamment de pression dans le circuit, soit de prélever l'air à deux endroits sur le compresseur, ce qui nécessite deux ports de prélèvement et autant de vannes pour basculer le prélèvement d'air d'un port à l'autre, ce qui est relativement complexe. Dans les deux cas cela entraîne une surconsommation de carburant au ralenti.
On a déjà proposé des solutions à ce problème. On a notamment proposé d'alimenter un circuit de conditionnement avec de l'air prélevé sur un moteur thermique auxiliaire du type APU (acronyme de Auxiliary Power Unit) monté dans l'aéronef. Cependant, le fonctionnement de ce moteur est optimisé au sol et n'est donc pas performant en altitude. Son utilisation, hors cas de panne moteur, implique une consommation supplémentaire de carburant par rapport à la technique précédente. Par ailleurs, tous les aéronefs ne sont pas équipés d'un moteur du type APU.
On a également proposé d'équiper l'aéronef d'un compresseur dédié (à l'alimentation en air de la cabine) entraîné par un moteur électrique. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car elle entraîne une augmentation de masse significative, du fait notamment de l'ajout du moteur électrique et d'un générateur électrique plus gros pour alimenter ce moteur.
Une solution à ce problème pourrait consister à entraîner le compresseur dédié par le boîtier d'entraînement des équipements accessoires du moteur, appelé généralement boîtier d'accessoires ou AGB (acronyme de Accessory Gear Box). Ce boîtier d'accessoires est accouplé au corps haute pression de la turbomachine. Cependant, cette solution ne serait pas non plus satisfaisante car la vitesse de rotation du corps haute pression varie trop en fonction des conditions de fonctionnement si bien que la vitesse de rotation du rotor du compresseur dédié serait trop faible au ralenti pour que ce compresseur soit capable de fournir un débit d'air à la pression minimum requise au circuit de conditionnement.
La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes des techniques antérieures.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention propose un turbopropulseur d'aéronef, comportant au moins un corps basse pression et un corps haute pression, voire également un corps à pression intermédiaire, au moins un desdits corps comportant un compresseur, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une première boîte d'engrenages, le turbopropulseur comportant en outre des moyens d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent au moins un compresseur de charge dont le rotor est accouplé au corps basse pression, ledit compresseur comprenant une entrée d'air reliée à des moyens de prélèvement d'air dans :
- le compresseur du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps ne comporte qu'un seul compresseur, ou - dans le compresseur du corps basse pression ou du corps à pression intermédiaire du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps comporte au moins deux compresseurs.
Il n'est ainsi pas nécessaire d'équiper le turbopropulseur d'une écope de prélèvement d'air dans le flux d'air qui s'écoule en fonctionnement autour et à l'extérieur du turbopropulseur. Ce type d'écope a pour inconvénient de générer des turbulences dans ce flux d'air et de nécessiter des moyens de dégivrage spécifiques. L'alimentation en air du compresseur n'est ainsi pas tributaire de l'écoulement d'air à l'extérieur du turbopropulseur.
Avantageusement, le prélèvement d'air a lieu dans le premier étage ou les premiers étages du compresseur ce qui permet de limiter le besoin de compression du compresseur de charge. Le compresseur de charge peut ainsi être plus petit, afin d'améliorer son rendement de compression. Il est en outre plus facile de refroidir l'air pour la cabine de l'aéronef.
L'invention permet par ailleurs de réduire la section de la conduite de prélèvement d'air dans le compresseur, par rapport à celle de la conduite antérieure, du fait de la pression supérieure de l'air prélevé.
Le rotor du compresseur peut être accouplé au corps basse pression par l'intermédiaire de la première boîte d'engrenages.
En variante, le rotor du compresseur est accouplé au corps basse pression par l'intermédiaire d'une deuxième boite d'engrenage
La présente invention propose ainsi une nouvelle technologie pour l'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'aéronef. Cet air est fourni par un compresseur, de préférence dédié à l'alimentation en air de la cabine, et non plus prélevé sur un compresseur du turbopropulseur, ce qui pénalise moins les performances. Selon l'invention, le rotor de ce compresseur dédié est entraîné en rotation par le corps basse pression, par l'intermédiaire d'une boîte d'engrenages, telle que la (première) boîte d'engrenages qui relie le corps basse pression à l'hélice de propulsion. Ceci est particulièrement avantageux, notamment lorsque le turbopropulseur est configuré pour que la vitesse de rotation de son corps basse pression obéisse à une loi de régimes discrets, c'est-à-dire que chaque régime est constant par palier. Le régime de l'hélice peut être compris dans une plage assez restreinte car elle peut ne plus être fonctionnelle si elle ralentit trop. La vitesse de rotation du corps basse pression est notamment constante au cours d'une même phase de vol. On entend par phase de vol une phase durant laquelle l'aéronef opère un seul type de manœuvre. Ainsi, la vitesse de rotation du rotor du compresseur dédié ne dépendra pas des conditions de fonctionnement, et le compresseur dédié pourra fournir un débit d'air à la pression minimum requise au circuit de conditionnement, même au ralenti. Par ailleurs, il n'est plus nécessaire de prévoir au moins deux ports de prélèvement d'air sur le compresseur, ainsi que les vannes associées, ce qui est plus simple.
Le compresseur dédié peut être à un ou plusieurs étages, chacun de n'importe quel type, par exemple un étage axial ou centrifuge.
Le compresseur peut comprendre une entrée d'air reliée à des moyens de prélèvement d'air entre une manche d'entrée d'air et un compresseur du turbopropulseur.
Un échangeur de chaleur, par exemple du type pré-refroidisseur, peut être monté soit en amont ou en aval du compresseur dédié.
Un échangeur de chaleur peut être monté entre deux compresseurs ou deux étages de compresseur (si ce dernier en comporte au moins deux), dont l'un peut être formé par ledit compresseur de charge. Les deux compresseurs ou deux étages de compresseur peuvent composer le compresseur de charge dédié notamment à l'alimentation en air de la cabine. En variante, l'échangeur est disposé entre le compresseur basse pression ou pression intermédiaire et le compresseur dédié. L'avantage de placer ainsi un échangeur de chaleur est qu'il est plus efficace qu'en sortie du compresseur dédié (à même quantité de chaleur évacuée par l'échangeur, la réduction de température de l'air envoyé à l'aéronef est plus forte). Ceci permet par exemple d'utiliser un échangeur de chaleur plus petit que dans la technique antérieure.
Le compresseur de charge peut comprendre une sortie d'air reliée à une canalisation destinée à être raccordée audit circuit. Cette canalisation peut être équipée d'au moins un système de régulation du débit, par exemple une vanne. Elle peut être équipée d'un échangeur de chaleur, par exemple du type pré-refroidisseur. Ce pré-refroidisseur peut être simplifié et être moins encombrant que dans la technique antérieure du fait que l'air d'alimentation du compresseur dédié peut avoir une température relativement faible par rapport à la technique antérieure. Il est par ailleurs envisageable que la pression de l'air sortant du compresseur dédié soit proche de la pression de l'air dans le circuit de conditionnement, et donc relativement basse, ce qui permet de simplifier la canalisation et notamment d'utiliser une canalisation à paroi mince afin d'obtenir un gain de masse par rapport à la technique antérieure.
Avantageusement, le turbopropulseur peut comprendre un démarreur pneumatique dont une entrée d'air est reliée à ladite canalisation. En phase de démarrage le rotor du démarreur pneumatique est accouplé au corps haute pression par un boîtier d'accessoires et alimenté en air par l'aéronef via ladite canalisation. Des vannes permettent l'alimentation exclusive du démarreur. La présente invention permet aussi d'alimenter le démarreur pneumatique via les tuyaux du circuit de conditionnement d'air.
La présente invention concerne encore un procédé d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef qui est équipé d'au moins un turbopropulseur comportant au moins un corps basse pression et un corps haute pression, voire également un corps à pression intermédiaire, au moins un desdits corps comportant un compresseur, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une première boîte d'engrenages, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à prélever de l'air soit dans le compresseur du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps ne comporte qu'un seul compresseur, soit dans le compresseur du corps basse pression ou du corps à pression intermédiaire du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps comporte au moins deux compresseurs, alimenter au moins un compresseur de charge dédié avec l'air prélevé, et entraîner un rotor dudit compresseur de charge par le corps basse pression du turbopropulseur.
DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue très schématique d'un turbopropulseur d'aéronef et représente des moyens d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, selon la technique antérieure,
- la figure 2 est une vue très schématique d'une boîte d'engrenages pour l'entraînement du compresseur dédié des moyens d'alimentation en air selon l'invention,
- la figure 3 est une vue très schématique d'un turbopropulseur d'aéronef et représente des moyens d'alimentation en air d'un circuit de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, selon un mode de réalisation de l'invention,
- les figures 4a, 4b et 4c sont des vues très schématiques de variantes de réalisation des moyens d'alimentation en air de l'aéronef selon l'invention, -
- la figure 5 est un diagramme montrant l'évolution de la température d'air prélevé en fonction de l'entropie, et
- la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 3 et représente une variante de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un turbopropulseur 10 selon la technique antérieure, pour un aéronef.
Le turbopropulseur 10 est ici du type double corps et comprend un corps basse pression 12 et un corps haute pression 14, le corps basse pression 12 entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une boîte d'engrenages 16 ou boîte de réduction, appelée couramment PGB (pour Power Gear Box). Seul l'arbre 18 de l'hélice de propulsion est représenté en figure 1 .
Le corps basse pression 12 comprend ici seulement un rotor de turbine relié par un arbre à la boîte d'engrenages 16. Le corps haute pression 14 comprend un rotor de compresseur relié par un arbre à un rotor de turbine. L'arbre du corps basse haute pression 14, appelé arbre HP 20, est tubulaire et traversé coaxialement par l'arbre du corps basse pression 12, appelé arbre BP 22 ou de puissance. L'arbre BP 22 comprend à une extrémité un pignon (non représenté) accouplé par l'intermédiaire d'une série de pignons de la boîte d'engrenages 16 à l'arbre 18 de l'hélice de propulsion.
Le turbopropulseur 10 comprend un boîtier 24 d'entraînement d'équipements accessoires (appelé boîtier d'accessoires ou AGB pour Accessory Gear Box) qui est accouplé au corps haute pression de la turbomachine 14, et en particulier à l'arbre HP, par l'intermédiaire d'un arbre radial 26. Le boîtier d'accessoires 24 est monté dans la nacelle 28 du turbopropulseur 10, qui est schématiquement représentée par un rectangle en traits pointillés.
Le boîtier d'accessoires 24 porte et entraine plusieurs équipements parmi lesquels un démarreur pneumatique 30 qui, comme son nom l'indique, est destiné à démarrer le turbopropulseur 10 en entraînant en rotation son corps haute pression, par l'intermédiaire du boîtier d'accessoires 24 et de l'arbre radial 26.
Le turbopropulseur 10 comprend en outre une entrée d'air 32 pour l'alimentation en air du moteur, et une tuyère 34 d'échappement des gaz de combustion. Le turbopropulseur 1 0 comprend en outre une chambre de combustion 35, entre les compresseurs BP et HP, d'une part, et les turbines HP et BP, d'autre part.
Le turbopropulseur 10 est en outre équipé de moyens d'alimentation en air d'un circuit 36 de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, ces moyens comprenant, selon la technique antérieure, des moyens de prélèvement d'air dans le moteur du turbopropulseur 1 0. Le moteur du turbopropulseur 1 0 est équipé de deux ports 38 ou bouche de prélèvement d'air comprimé, chacun de ces ports 38 étant relié par une vanne 40, 42 à une canalisation 44 d'alimentation en air du circuit 36.
Le premier port 38 ou port amont (par référence au sens d'écoulement des gaz dans le moteur) permet de prélever de l'air à une pression intermédiaire. La vanne 40 reliée à cette canalisation 44 est du type à clapet anti-retour.
Le second port 38 ou port aval permet de prélever de l'air à haute pression. La vanne 42 reliée à cette canalisation 44 est ouverte lorsque la pression de l'air prélevé par la vanne 40 n'est pas suffisante, l'air prélevé par la vanne 42 étant empêché d'être réinjecté en amont par la fonction anti-retour du clapet de la vanne 40.
La canalisation 44 est équipée d'une vanne 46 qui régule la pression d'alimentation du circuit 36, et d'un échangeur de chaleur 47 du type pré- refroidisseur, qui est destiné à abaisser la température de l'air avant son introduction dans le circuit 36. La canalisation 44 est en outre reliée par une conduite 48 équipée d'une vanne 50 à une entrée d'air du démarreur pneumatique 30. La canalisation 44 traverse une cloison anti-feu 52 avant d'être raccordée au circuit 36.
La technologie représentée en figure 1 présente de nombreux inconvénients décrits plus haut.
La présente invention permet de remédier à ces inconvénients en équipant le turbopropulseur d'un compresseur dédié, appelé compresseur de charge, dont le rotor est accouplé au corps basse pression du moteur par l'intermédiaire de la boîte d'engrenages.
La figure 3 représente un mode de réalisation de cette invention, dans lequel les éléments déjà décrits dans ce qui précède sont désignés par les mêmes références. Le turbopropulseur de la figure 3 peut être du même type que celui représenté en figure 1 ou d'un type différent. Il peut par exemple comprendre plus de deux corps. Par ailleurs, le corps basse pression du turbopropulseur selon l'invention peut comprendre un compresseur BP.
Le turbopropulseur 310 de la figure 3 diffère de celui de la figure 1 essentiellement par les moyens d'alimentation en air du circuit 36.
Ces moyens d'alimentation comprennent ici un compresseur 60 dédié dont le rotor 61 est accouplé par la boîte d'engrenages 16 au corps basse pression 12 et en particulier à l'arbre BP 22. Comme cela est schématiquement représenté à la figure 2, l'arbre de rotor 61 du compresseur 60 peut porter un pignon 61 a engrené avec un pignon 18a de l'arbre 18 de l'hélice du turbopropulseur 1 10, cet arbre 18 portant un autre pignon 18b engrené avec un pignon 22a de l'arbre BP 22. Les pignons 18a, 18b, 22a, 61 a sont logés dans la boîte d'engrenages 16.
Le compresseur 60 comprend une entrée 62 et une sortie d'air 64.
Dans l'exemple représenté, la sortie d'air 64 du compresseur 60 est raccordée à la canalisation 44 d'alimentation en air du circuit 36. Comme décrit précédemment, cette canalisation 44 comprend une vanne 46 qui régule la pression d'alimentation du circuit 36, et un échangeur de chaleur 47 du type pré-refroidisseur, qui est destiné à abaisser la température de l'air avant son introduction dans le circuit 36. La canalisation 44 est en outre reliée par une conduite 48 équipée d'une vanne 50 à une entrée d'air du démarreur pneumatique 30.
L'entrée d'air 62 du compresseur 60 est reliée par une conduite 72 à un port 74 de prélèvement d'air dans un compresseur du moteur. Bien que de l'air soit prélevé du moteur, le moteur est équipé d'un seul port de prélèvement contre deux dans la technique antérieure. Du fait de la compression de l'air prélevé dans le compresseur 60, l'air prélevé n'a pas besoin d'avoir une pression importante. Il est donc envisageable de prélever de l'air le plus en amont possible sur le compresseur.
Le prélèvement d'air peut avoir lieu sur le compresseur basse pression, c'est-à-dire le compresseur du corps basse pression 12. C'est notamment le cas dans un turbopropulseur à double corps et à turbine liée. Dans le cas où le turbopropulseur serait du type à triple corps (et comprendrait un corps à pression intermédiaire dont un compresseur serait disposé en amont du compresseur haute pression) et à turbine libre, le prélèvement d'air pourrait être effectué sur le compresseur à pression intermédiaire. Dans le cas où le turbopropulseur serait du type à triple corps (et comprendrait un corps à pression intermédiaire dont un compresseur serait disposé en amont du compresseur haute pression et en aval du compresseur basse pression) et à turbine liée, le prélèvement d'air pourrait être effectué sur le compresseur basse pression ou à pression intermédiaire. Dans le cas où le turbopropulseur serait du type à double corps et à turbine libre, le prélèvement d'air pourrait être effectué sur le compresseur à haute pression. L'idée première est de bénéficier uniquement du ou des premiers étages de compression (quatrième étage maximum de préférence) pour limiter la taille et la performance du compresseur de charge. On utilise si possible le compresseur de plus basse pression pour maximiser l'opérabilité du corps haute pression voire du corps à pression intermédiaire. Deux compressions successives, respectivement dans le compresseur d'un corps et dans le compresseur de charge, permet d'améliorer le cycle thermodynamique.
Le compresseur de charge 60 utilisé dans le cadre de l'invention (figure 3) peut être de n'importe quel type et est par exemple un compresseur axial à un ou plusieurs étages ou un compresseur centrifuge à un ou plusieurs étages ou encore un compresseur mixte comportant un ou plusieurs étages axiaux et un ou plusieurs étages centrifuges. Il est en outre envisageable d'utiliser plus d'un compresseur de charge et par exemple deux compresseurs de charge montés en série.
Les figures 4a à 4c représentent des variantes de réalisation de l'invention concernant notamment la position de l'échangeur de chaleur 47. Comme cela est visible en figure 4a, l'échangeur de chaleur 47 peut être monté en aval du compresseur 60, c'est-à-dire sur la canalisation 44, comme c'est le cas en figure 2. Dans la figure 4b, l'échangeur de chaleur 47 est monté entre deux compresseurs 60a, 60b. Chaque compresseur peut comporter un ou plusieurs étages afin de couvrir les deux cas précités. Chaque étage peut être un étage axial ou centrifuge. Dans la figure 4c, l'échangeur 47 est monté en amont du compresseur 60, c'est-à-dire sur la conduite 72 décrite en référence à la figure 3. L'échangeur 47 est ainsi monté entre les compresseurs (basse pression et de charge) ce qui permet d'optimiser le cycle de refroidissement de l'air.
Sur le diagramme de la figure 5, on a illustré la compression réalisée de l'air ambiant pour envoi à l'aéronef. On doit comprimer l'air prélevé pour l'amener de la pression P1 à la pression P3 et on utilise un échangeur 47 pour limiter la température de sortie. C représente le prélèvement d'air et D représente la sortie du compresseur de charge 60. On voit que, si on place l'échangeur après la totalité de la compression (configuration A de pré- refroidisseur), il doit dissiper plus de chaleur que si on le place après une première compression moindre (configuration B inter-refroidisseur), complétée par une deuxième compression pour arriver à la pression P3.
La figure 6 représente une autre variante de réalisation du turbopropulseur 410 selon l'invention, qui diffère de celui de la figure 3 essentiellement en ce que le rotor 61 du compresseur 60 est accouplé à l'arbre BP 22, non pas par la boîte d'engrenages 16, mais par une autre boîte d'engrenages 80, qui peut être dédié pour assurer cette fonction d'accouplement de l'arbre BP au rotor du compresseur 60. La boîte d'engrenages 80 peut être accouplée à l'arbre BP 22 par l'intermédiaire d'un arbre radial 82. L'alimentation en air du circuit 36 peut être réalisée de la façon suivante, avec l'un quelconque des modes de réalisation de l'invention décrits dans ce qui précède.
Après démarrage du turbopropulseur 310, 410, le corps basse pression 12 et son arbre 22 tournent en général à une vitesse sensiblement constante. Le rotor du compresseur 60 est entraîné en rotation à une vitesse sensiblement constante, qui dépend notamment du coefficient de réduction de la boîte d'engrenages 16, 80. La rotation de l'arbre de rotor 61 du compresseur 60 provoque l'aspiration et le prélèvement d'air par la conduite 72, jusqu'à l'entrée d'air 62 du compresseur 60. Cet air est alors comprimé par le compresseur 60 qui fournit à la canalisation 44 de l'air comprimé à une pression prédéterminée. La vanne 46 régule la pression d'alimentation du circuit 36. L'échangeur de chaleur 47 permet d'abaisser la température de l'air avant son introduction dans le circuit 36 (figure 4a), avant son entrée dans le compresseur (figure 4c) ou entre deux phases de compression (figure 4b). Quelles que soient les conditions de fonctionnement du turbopropulseur 310, 410, l'arbre de rotor 61 du compresseur 60 tourne à vitesse constante dans le cas où la vitesse de rotation du corps basse pression 12 est également constante.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Turbopropulseur (310, 410) d'aéronef, comportant au moins un corps basse pression (12) et un corps haute pression (14), voire également un corps à pression intermédiaire, au moins un desdits corps comportant un compresseur, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une première boîte d'engrenages (16), le turbopropulseur comportant en outre des moyens d'alimentation en air d'un circuit (36) de conditionnement d'air d'une cabine de l'aéronef, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent au moins un compresseur de charge (60) dont le rotor (61 ) est accouplé au corps basse pression, ledit compresseur (60) comprenant une entrée d'air (62) reliée à des moyens (72, 74) de prélèvement d'air dans :
- le compresseur du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps ne comporte qu'un seul compresseur, ou
- dans le compresseur du corps basse pression ou du corps à pression intermédiaire du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps comporte au moins deux compresseurs.
2. Turbopropulseur (310) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rotor (61 ) est accouplé au corps basse pression par l'intermédiaire de la première boîte d'engrenage (16).
3. Turbopropulseur (410) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rotor (61 ) est accouplé au corps basse pression par l'intermédiaire d'une deuxième boîte d'engrenages (80)
4. Turbopropulseur (310, 410) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un échangeur de chaleur (47) est monté en amont ou en aval du compresseur de charge (60).
5. Turbopropulseur (310, 410) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un échangeur de chaleur (47) est monté entre deux compresseurs (60a, 60b) ou entre deux étages de compresseur, dont l'un peut être formé par ledit compresseur de charge.
6. Turbopropulseur (310, 410) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compresseur de charge (60) comprend une sortie d'air (64) reliée à une canalisation (44) destinée à être raccordée audit circuit (36), ladite canalisation étant équipée d'au moins un moyen de régulation, tel qu'une vanne (46).
7. Turbopropulseur (310, 410) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un démarreur (30) pneumatique dont une entrée d'air est reliée à ladite canalisation (44).
8. Turbopropulseur (310, 410) selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la canalisation (44) est équipée d'un échangeur de chaleur (47).
9. Turbopropulseur (310, 410) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est configuré pour que la vitesse de rotation du corps basse pression (12) soit sensiblement constante quelles que soient les conditions de fonctionnement.
10. Procédé d'alimentation en air d'un circuit (36) de conditionnement d'air d'une cabine d'un aéronef qui est équipé d'au moins un turbopropulseur (310, 410) comportant au moins un corps basse pression (12) et un corps haute pression (14), voire également un corps à pression intermédiaire, au moins un desdits corps comportant un compresseur, le corps basse pression entraînant une hélice de propulsion par l'intermédiaire d'une première boîte d'engrenages (16), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à prélever de l'air soit dans le compresseur du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps ne comporte qu'un seul compresseur, soit dans le compresseur du corps basse pression ou du corps à pression intermédiaire du turbopropulseur, lorsque l'ensemble desdits corps comporte au moins deux compresseurs, alimenter au moins un compresseur de charge (60) dédié avec l'air prélevé, et entraîner un rotor dudit compresseur de charge par le corps basse pression du turbopropulseur.
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