Ce travail, réalisé en collaboration avec l’ISAE-SUPAERO et Safran Tech, porte sur les interactions entre le moteur et le système ECS (Environmental Control System) afin de réduire la consommation de carburant des avions court et moyen-courrier. L’objectif est de développer un modèle couplé simplifié moteur–ECS pour capturer les interactions entre systèmes, évaluer l’intérêt d’un prélèvement d’air à des pressions de compresseur plus basses et estimer les potentielles économies de carburant grâce au co-dimensionnement moteur–ECS.
Une revue approfondie de l’évolution technologique de l’ECS, du début à aujourd’hui, a permis d’analyser le fonctionnement, les exigences, les contraintes, les interactions entre systèmes et les tendances récentes de la recherche. Cette revue montre que les architectures ECS ont peu évolué ces trente dernières années, et que les informations détaillées restent limitées pour des raisons de confidentialité industrielle. La littérature sur la performance thermodynamique de l’ECS et le dimensionnement turbomachine sur mission complète demeure rare, et les études sur l’influence des points d’extraction d’air de prélèvement sur la performance moteur-ECS sont très limitées.
Pour combler ce manque, un modèle thermodynamique intégré moteur–ECS a été développé, en adoptant le point de vue du motoriste et en s’appuyant sur la conception préliminaire. Un double flux générique non-mélangé et une architecture ECS « trois roues » ont été modélisés dans PROOSIS, selon une approche multipoint pour le dimensionnement. La validation s’est appuyée sur la comparaison des performances sur différents segments de mission avec les tendances de la littérature, assurant la pertinence pour l’aviation court/moyen-courrier.
Les modèles validés ont ensuite été intégrés pour évaluer la performance combinée, l’interface de couplage reposant sur les flux d’air de prélèvement du compresseur HP et du fan moteur. Les indicateurs clés étudiés sont le débit carburant moteur, l’efficacité du compresseur HP, les pertes d’enthalpie du prélèvement et la performance turbomachine, sur des profils de mission standards, en conditions nominales et critiques. De fortes pertes enthalpiques en gestion d’air ECS sont observées, élevant la consommation moteur. En mode critique, le bloc carburant augmente jusqu’à 0,6% lors de panne ECS, alors qu’une hausse de la recirculation cabine de 10% permet une réduction jusqu’à 0,5%. Extraire l’air à plus faible enthalpie fait baisser la consommation carburant bloc jusqu’à 0,4% par rapport à une architecture classique.
Une méthodologie de co-dimensionnement du système a permis de minimiser les pertes ECS, réduisant la consommation carburant bloc de 1,4% par rapport à une configuration conventionnelle. Ce cadre permet aussi d’analyser l’impact des paramètres moteurs (taux de dilution, taux de pression global, rapport HP) sur la consommation carburant.
Une architecture alternative, appelée « Turbomixer », a également été étudiée : elle prélève l’air sur les ports basse et haute pression du compresseur, l’air basse pression étant comprimé grâce à l’énergie récupérée sur l’air HP, les deux flux étant ensuite mélangés. En nominal, le turbomixer permet jusqu’à 2% de réduction carburant moteur sur la mission par rapport au prélèvement classique.
La méthodologie développée permet d’évaluer différents concepts ECS (air, électrique, hybride) avec des couplages adaptés, apportant une base robuste pour l’optimisation énergétique couplée moteur–ECS sur toute la mission. En conclusion, cette étude apporte une nouvelle méthodologie intégrée pour simuler et optimiser les performances moteur–ECS sous diverses configurations d’extraction d’air et pour différentes architectures ECS. |
This thesis, conducted in collaboration with ISAE-SUPAERO and Safran Tech, investigates engine–ECS interactions to reduce engine fuel consumption in short- to medium-range aircraft. The work develops a low-order coupled engine–ECS model to capture system interactions, assess the benefits of extracting bleed air at lower compressor pressures, and evaluate potential fuel savings achievable through engine–ECS co-sizing.
A comprehensive review of the technological evolution of the Environmental Control System (ECS) was performed, covering early systems to contemporary electric ECS configurations. The analysis included ECS operation, requirements, constraints, interactions with adjacent systems, and recent research trends. Findings highlight minimal architectural changes in recent decades and a scarcity of detailed design data due to proprietary constraints. Literature on ECS thermodynamic performance and turbomachinery sizing across missions is limited, and studies of the influence of bleed extraction locations on combined performance are especially rare.
To address this gap, a thermodynamic model of the integrated engine–ECS system was created, adopting the engine manufacturer’s perspective and focusing on preliminary engine design and performance trends. A generic unmixed-flow turbofan and a widely used 3-wheel ECS architecture were modeled in PROOSIS, with both systems sized by a multi-point design methodology. Model validation involved comparison across mission phases with literature trends to ensure relevance for short- and medium-range applications.
The validated models were integrated to assess combined system performance, using bleed airflows from the engine high-pressure compressor and fan as the coupling interface. Key metrics — engine fuel flow, compressor efficiency, bleed enthalpy losses, and turbomachinery component performance — were evaluated over a generic mission profile under nominal and critical conditions. Significant bleed enthalpy losses were observed in the ECS air management system during nominal operation, resulting in higher engine fuel consumption. In critical cases, mission block fuel consumption increased by up to 0.6% during ECS failure, while increasing cabin air recirculation by 10% led to a reduction of up to 0.5%. Simulations at various bleed pressure levels indicated that extracting bleed at lower enthalpy reduced block fuel consumption by up to 0.4% compared to the conventional configuration.
A co-sizing methodology was developed to minimize ECS air management losses and maximize performance, reducing engine block fuel consumption by 1.4% relative to typical bleed offtakes. The framework also enabled assessment of impacts from changes in engine bypass ratio, overall pressure ratio, and high-pressure compressor pressure ratio.
An innovative ECS architecture, called “Turbomixer,” was proposed and analyzed. In this system, bleed air is drawn from both low- and high-pressure ports of the engine compressor; the low-pressure air is further compressed using expansion work from high-pressure bleed air, with the two streams then mixed to achieve the required ECS conditions. Regulated trim flows ensure temperature limits are met. Implementing the turbomixer reduced engine fuel consumption by up to 2% versus conventional designs through the mission profile.
The integrated methodology allows robust assessment of diverse ECS architectures, and its adaptability was demonstrated by applying it to electrical and hybrid ECS systems. In these cases, shaft power or both ambient and bleed air serve as the coupling mechanism.
In summary, this thesis fills a key knowledge gap by providing an integrated model and sizing methodology for engine–ECS systems, enabling thorough analysis and optimization of combined system performance under various bleed strategies and ECS architectures. |