Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02887624 2015-04-08
WO 2014/057227
PCT/FR2013/052428
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Moteur thermique pour l'entraînement d'un arbre moteur
Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte à un moteur thermique du type comportant un
générateur de gaz alimentant en gaz moteur une turbine. La turbine est reliée
à un
arbre moteur qu'elle entraîne. L'application visée est notamment la propulsion
d'aéronefs dans le domaine aéronautique.
Etat de la technique exposé du problème.
Pour l'entraînement de machines ou la propulsion de véhicules de toutes
sortes, une
première catégorie de moteurs comprend les moteurs à cycle ouvert que sont les
moteurs à turbine à gaz. Dans le domaine aéronautique, ils se présentent sous
la forme
de turboréacteurs, de turbomoteurs ou de turbopropulseurs. Une autre catégorie
comprend les moteurs à combustion interne tels que les moteurs à allumage par
compression dits à cycle diesel ou les moteurs à allumage commandé.
Les moteurs de la seconde catégorie ont des consommations spécifiques
meilleures
que ceux de la première. Par ailleurs, les technologies utilisées pour les
températures
de la chambre de combustion et de la turbine haute-pression rendent l'achat et
la
maintenance plus onéreux sur ces motorisations.
Cependant dans le domaine aéronautique en particulier, la généralisation des
moteurs
de la seconde catégorie pour des fortes puissances est limitée par le fort
acyclisme
généré sur l'arbre de sortie. Celui-ci est néfaste aux hélices (en particulier
aux hélices
rapides à profil fin) et aux trains d'engrenages. Par ailleurs pour ces
moteurs, la
stabilité de la combustion est également moins bonne à haute altitude et basse
température, réduisant la plage de puissance utilisable.
La consommation spécifique des turbomoteurs et turbopropulseurs peut être
améliorée
en optimisant les chambres de combustion et les rendements des compresseurs et
turbines, ou encore à l'aide d'un cycle à récupération. Elle ne peut cependant
atteindre
celles des moteurs à combustion interne en raison d'un rendement de cycle plus
faible.
Il est en effet impossible d'atteindre les mêmes pressions de combustion qu'un
moteur
diesel, en raison en particulier de la limite thermique du premier étage de
turbine. De
plus, le rendement des turbines à gaz se dégrade rapidement lorsqu'on s'écarte
des
conditions optimales d'adaptation des compresseurs et turbines.
L'acyclisme des moteurs à piston peut être traité par des dispositifs
amortisseurs de
torsion dissipatifs ou des résonateurs. Cependant les amortisseurs de torsion
sont soit
lourds et complexes, voir les amortisseurs dissipatifs de type DVA utilisés en
automobile, avec circuit de lubrification dédié, soit introduisent des régimes
de
rotation critiques, voir les amortisseurs résonateurs, de type pendules
bifilaires utilisés
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en aviation générale et pour la compétition automobile. De toute façon, il
reste difficile
d'atteindre les faibles acyclismes des turbines à gaz.
La stabilité de la combustion des moteurs diesel à haute altitude peut être
améliorée à
l'aide de dispositifs d'allumage commandé, de brûleurs ou d'alimentation en
air
pressurisé.
Des moteurs à pistons libres dont la puissance est récupérée sur une turbine
pour
l'entraînement d'une hélice ont été proposés. La compression et la détente
s'effectuent
de part et d'autre d'un piston à double action - cycle diesel 2 temps - qui ne
transmet
donc pas d'effort à une ligne d'arbre. Des solutions similaires ont été
réalisées pour
des applications de transport ferroviaire et naval. Cependant l'architecture
du moteur
est complexe. Cette solution ne permet pas d'utiliser des technologies
modernes de
combustion diesel à quatre temps. Elle est également plus contraignante
thermiquement en raison du cycle à deux temps. Elle est très peu répandue
industriellement et plus difficile à maitriser en raison du bruit généré et de
la fiabilité.
La présente invention a pour objet un moteur thermique combinant les avantages
des
deux catégories de moteur sans en avoir les inconvénients.
Exposé de l'invention
Conformément à l'invention, le moteur thermique pour l'entraînement d'un arbre
moteur, comprenant au moins un générateur de gaz et une turbine, le générateur
de gaz
alimentant la turbine en gaz moteur et la turbine entraînant en rotation
l'arbre moteur,
est caractérisé par le fait que le générateur de gaz est un moteur à
combustion interne à
quatre temps, qu'il comprend un compresseur d'alimentation en air du moteur à
combustion interne, le compresseur étant entraîné mécaniquement par le moteur
à
combustion interne, et que la turbine est libre mécaniquement par rapport au
moteur à
combustion interne.
Ainsi, la solution consiste à se servir d'un moteur à quatre temps comme
générateur de
gaz chauds, alimentant une turbine libre sur laquelle est prélevée la
puissance motrice
par un récepteur. Le travail du moteur à combustion interne est récupéré par
le
compresseur. Cette turbine libre est alimentée par le moteur à quatre temps,
dans
lequel s'effectuent les phases de détente et de compression à haute pression
(HP)
normalement réalisées sur des étages compresseurs et turbines HP sur un moteur
à
cycle ouvert. Le rapport volumétrique du générateur de gaz est ainsi très
largement
inférieur à celui d'un moteur à combustion interne classique car la phase de
détente ne
doit pas prélever trop d'énergie aux gaz brûlés, afin d'alimenter la turbine
libre avec
un gaz présentant une pression et une température suffisantes. Elle prélève
juste assez
d'énergie pour permettre le travail du piston sur les trois autres temps :
échappement,
admission et compression, et pour entraîner le compresseur basse pression
(BP).
Selon un mode de réalisation, le générateur de gaz chauds est un moteur
diesel.
Selon un autre mode de réalisation, le moteur comprend comme générateur de gaz
un
moteur à combustion interne à allumage commandé. Celui-ci soit se substitue au
moteur diesel soit est combiné à celui-ci.
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Avantageusement, le compresseur est entraîné par le moteur à combustion
interne par
l'intermédiaire d'une boîte à engrenages et de préférence un échangeur de
chaleur est
disposé entre le compresseur et le moteur à combustion interne, ou entre
plusieurs
étages du compresseur
La solution de l'invention permet l'agencement d'un moyen de prélèvement d'air
entre
le compresseur et le moteur à combustion interne.
Conformément à une variante de réalisation, un conduit de dérivation est
agencé entre
le compresseur et la turbine libre. Son but est, par exemple pour une
puissance requise
élevée, d'augmenter le débit de gaz donc le travail disponible sur la turbine
tout en
diluant les gaz chauds issus du moteur à combustion interne pour ne pas
dépasser la
limite thermique de la turbine. Il permet aussi d'adapter les points de
fonctionnement
du compresseur et de la turbine pour optimiser le rendement global.
Selon un autre mode de réalisation permis par la solution de l'invention, une
chambre
de combustion auxiliaire est ménagée entre l'échappement du moteur à
combustion
interne et la turbine libre, avec éventuellement un conduit de dérivation tel
que
mentionné ci-dessus. Un compresseur supplémentaire peut aussi être prévu entre
l'échappement du moteur à combustion interne et la chambre de combustion
auxiliaire.
La chambre de combustion auxiliaire est ainsi alimentée en flux continu par
une partie
ou la totalité des gaz issus du générateur de gaz formé par le moteur à
combustion
interne, et éventuellement par une dérivation de l'air provenant directement
du
compresseur entraîné par le moteur à combustion interne. Dans la seconde
configuration, cette dérivation apporte de l'air non brûlé qui permet des
conditions de
mélange des gaz à l'échappement du générateur de gaz favorables à la
combustion.
Cette chambre est équipée d'un ou de plusieurs injecteurs de carburant et
éventuellement d'un ou de plusieurs allumeurs pour les phases de démarrage.
Selon un
mode de réalisation permettant d'améliorer le rendement, le carburant est
injecté par
impulsions et non de façon continue, le débit de carburant peut ainsi être
injecté en
phase avec les bouffées de gaz issues de l'échappement de chaque cylindre.
La chambre de combustion auxiliaire peut-être utilisée pendant des phases de
démarrage, afin d'initier l'entraînement du compresseur. Dans ce cas, cette
solution
utilise avantageusement la dérivation de l'air provenant du compresseur afin
d'augmenter le débit et donc l'énergie disponible sur la turbine, tandis que
le
générateur de gaz est encore à l'arrêt ou au ralenti, l'arbre du moteur à
combustion
interne étant entraîné par un démarreur, par exemple électrique ou
pneumatique. Dans
cette phase de démarrage, le moteur fonctionne comme un moteur à turbine à
gaz.
Selon un mode réalisation avantageux, l'énergie récupérée par le récepteur
entraîné par
la turbine libre est transmise au système de démarrage du générateur de gaz,
pour lui
permettre d'atteindre le régime de ralenti stabilisé. Une fois ce régime
atteint
l'injection dans la chambre de combustion auxiliaire peut-être arrêtée et la
dérivation
d'air fermée.
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La chambre de combustion auxiliaire a également comme fonction d'apporter le
cas
échéant un complément de puissance en régime permanent. La combustion du
carburant fourni par l'injecteur auxiliaire permet d'augmenter la température
des gaz
en provenance du générateur de gaz et donc la puissance sur la turbine et le
récepteur,
indépendamment de la puissance sur le générateur de gaz. La dérivation d'air
non
brûlé en provenance du compresseur peut-être ouverte afin d'augmenter la
réactivité
du mélange de gaz dans la chambre auxiliaire.
Selon un autre mode de réalisation, une turbine supplémentaire alimentée par
une
partie des gaz d'échappement du moteur à combustion interne est ménagée en
aval de
l'échappement du moteur à combustion interne, l'arbre de la turbine étant lié
mécaniquement à celui du moteur à combustion interne.
Les avantages de la solution de l'invention par rapport à l'art antérieur sont
notamment :
Niveau de vibrations réduit par rapport à un moteur diesel : La solution
décrite
permet d'obtenir des vibrations de torsion faibles sur l'arbre de sortie. Les
pulsations
de débit liées au fonctionnement alternatif du générateur de gaz peuvent être
lissées
dans un collecteur de gaz.
Stabilité de la combustion : Comme le compresseur est entraîné mécaniquement
par le générateur de gaz et n'est pas relié à l'arbre de sortie, il est
possible d'assurer les
conditions de température et pression évitant l'extinction indépendamment de
la
puissance absorbée par le récepteur. De plus, la combustion n'est pas sujette
aux
contraintes de richesse et de turbulence d'une chambre de combustion de
turbine à gaz,
en particulier en régime transitoire.
Gain de consommation par rapport à un moteur à cycle ouvert : L'amélioration
s'obtient sur la puissance d'entrainement du compresseur. Cette puissance est
prise sur
un générateur de gaz, de préférence diesel avec un meilleur rendement en
raison des
fortes températures et pressions de cycle. Le rendement peut encore être
amélioré en
refroidissant l'air après chaque étage de compression BP.
Rapport poids/puissance amélioré : La forte suralimentation permet de réduire
la cylindrée du générateur de gaz, par rapport à un moteur à combustion
interne de
même puissance. En revanche, un train d'engrenages est souhaitable pour
l'entrainement du compresseur et un autre entre l'arbre de la turbine libre et
le
récepteur.
Architecture : Il n'y a ni couplage aérodynamique ni couplage mécanique entre
le générateur de gaz et le récepteur. Il n'y a donc pas de contrainte
d'installation, en
dehors de limiter les pertes de charge et les transferts thermiques en amont
de la
turbine libre. On peut également réaliser des prélèvements d'air sur le
compresseur BP
pour des servitudes (pressurisation cabine, dégivrage) ou ajuster le point de
fonctionnement de chaque étage. On peut aussi surdimensionner le compresseur
et
prélever une partie de l'air comprimé pour diluer les gaz d'échappement, avant
la
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turbine (pour augmenter le débit de gaz en diminuant la température entrée
turbine par
exemple).
Coût de fabrication : la solution ne nécessite pour le générateur de gaz pas
de
5 chambre de combustion en cycle ouvert ni de turbine HP, qui sont les
éléments
nécessitant les technologies les plus pointues sur les moteurs à turbines à
gaz en raison
des contraintes thermiques élevées.
Dans le mode de réalisation avec chambre de combustion auxiliaire, celle-ci
apporte des avantages spécifiques pour les phases de démarrage et de
surpuissance.
Pour les phases de démarrage, le générateur de gaz ayant un faible rapport
volumétrique, son démarrage est favorisé par un apport d'air pressurisé. Pour
cela, il
est nécessaire de fournir une énergie importante au générateur de gaz afin
qu'il
entraîne le compresseur. Cette énergie est avantageusement issue de la turbine
alimentée en gaz brûlés à travers la chambre auxiliaire et la dérivation d'air
provenant
du compresseur. Cette turbine est alors assimilable à une turbine à gaz
conventionnelle. L'énergie récupérée sur le récepteur est restituée au
démarreur
pneumatique ou électrique du générateur de gaz. Cette configuration diminue
largement le besoin de stockage en énergie électrique.
Pour les phases de surpuissance, qui sont usuellement requises sur les
aéronefs
pendant des durées courtes telles que les phases de décollage ou en cas
d'urgence,
l'apport de puissance sur la turbine par la chambre de combustion auxiliaire
permet de
limiter le dimensionnement du générateur de gaz à sa puissance nominale, Le
rendement thermique global se trouve dégradé pendant les phases de
surpuissance, à
cause du moindre rendement de combustion de la chambre auxiliaire. Mais ces
phases
sont limitées dans le cycle d'utilisation du moteur. Les dimensions réduites
du
générateur de gaz apportent un gain de masse et d'encombrement par rapport à
un
même système qui aurait été dimensionné pour permettre de réaliser la
surpuissance
sans apport d'une chambre de combustion auxiliaire.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques
et avantages
de celle-ci apparaîtront plus clairement avec la description explicative
détaillée qui
suit, d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre
d'exemples
purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques
annexés.
Sur ces dessins :
- la figure 1 représente le schéma d'une installation de l'art antérieur
avec turbine
libre et moteur à turbine à gaz formant le générateur de gaz;
- la figure 2 représente le schéma d'une installation conforme à
l'invention ;
- la figure 3 représente le schéma d'une installation conforme à
l'invention,
comprenant une chambre de combustion auxiliaire.
Description détaillée de l'invention.
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En se reportant à la figure 1, le schéma montre une installation
conventionnelle 1 avec
un générateur de gaz 3 et une turbine libre 6 entraînant une machine
réceptrice 7. Le
générateur de gaz comprend sur un même arbre des compresseurs 2 à plusieurs
étages,
à basse et haute pression, alimentant une chambre de combustion 4 à cycle
ouvert dont
les gaz de combustion qui en sont issus sont détendus partiellement dans la
turbine 5.
Cette turbine entraîne par l'arbre commun les compresseurs 2. Après avoir été
détendus en partie dans la turbine 5, les gaz sont introduits dans la turbine
libre 6 dont
l'arbre est accouplé à celui de la machine réceptrice 7 qui dans le domaine
aéronautique est généralement une hélice. On note que le cycle est à
combustion à
pression constante dans la chambre de combustion 4.
Conformément à l'invention, on substitue un moteur à combustion interne à
quatre
temps au moteur à turbine à gaz pour le générateur de gaz.
Sur la figure 2, la même turbine libre 6 entraîne la machine réceptrice 7.
Le générateur de gaz 13 comprend un moteur à combustion interne 14, à quatre
temps,
avantageusement un moteur diesel. Mais il pourrait s'agir d'un moteur à
allumage
commandé.
Le moteur 14 à combustion interne comprend classiquement des cylindres avec
lesquels les pistons qu'ils contiennent délimitent des chambres de combustion.
Les
pistons sont montés sur un vilebrequin 20 dont la rotation assure le
déplacement de va
et vient des pistons à l'intérieur des cylindres ainsi que la commande des
soupapes
d'admission et d'échappement pour chaque chambre.
Pour chacun des cylindres, ici quatre, 15, 16, 17 et 18, s'opèrent
successivement les
quatre temps du cycle, à savoir aspiration, compression, détente et
échappement.
L'échappement des cylindres communique avec un collecteur d'échappement 19 qui
guide les gaz, après échappement des cylindres, dans le collecteur d'admission
des gaz
de la turbine libre 6. Les gaz sont détendus dans la turbine 6 puis sont
évacués, après
un passage éventuel à travers un récupérateur, non montré.
Le vilebrequin 20 est relié mécaniquement à un compresseur 21 par
l'intermédiaire
d'une boîte à engrenages 22 de manière à adapter la vitesse de rotation du
compresseur
21 à la propre vitesse de fonctionnement de celui-ci, qui est différente de
celle du
moteur 14.
Le compresseur alimente les cylindres en air à une pression aussi élevée que
possible,
avantageusement après que celui-ci a été refroidi dans un échangeur de chaleur
approprié 23
En fonctionnement, l'air est aspiré par le compresseur 21, refroidi
éventuellement dans
l'échangeur 23, admis dans les cylindres avec un carburant convenable,
comprimé,
brûlé, détendu et évacué dans le collecteur 19 puis admis dans la turbine 6.
La
puissance est prélevée sur l'arbre entraînant le récepteur 7. Conformément à
une
variante de réalisation, un conduit de dérivation 25 est agencé entre le
compresseur et
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la turbine libre de manière à guider une partie de l'air issu du compresseur
directement
vers la turbine libre 6 sans passer au travers du moteur à combustion interne.
Il permet
pour certaines phases de fonctionnement du moteur telles qu'une demande de
puissance supplémentaire d'augmenter le débit de gaz donc le travail
disponible sur la
turbine tout en diluant les gaz chauds issus du moteur à combustion interne
pour ne
pas dépasser la limite thermique de la turbine. Il permet aussi d'adapter les
points de
fonctionnement du compresseur et de la turbine pour optimiser le rendement
global.
Comme mentionné plus haut, le rapport volumétrique du générateur de gaz est
ici très
largement inférieur à celui d'un moteur classique car la phase de détente est
agencée
de manière à prélever l'énergie juste suffisante pour permettre le travail du
piston sur
les trois autres temps et entraîner le compresseur 21. L'essentiel de
l'énergie des gaz
brûlés est destiné à alimenter la turbine de puissance 6 avec suffisamment de
pression
et de température.
Dans un moteur diesel à quatre temps classique, le bilan thermique s'établit
ainsi, par
rapport à la puissance chimique disponible :
Puissance cédée aux gaz d'échappement : 45%
Puissance dissipée par transferts thermiques et frottements : 15%
Puissance disponible sur l'arbre de sortie : 40% contre 20 à 30% pour un
moteur à
cycle ouvert.
Par rapport à ce bilan d'un moteur classique , le générateur de gaz de
l'installation
de la figure 2 fournit un travail disponible sur le vilebrequin moindre par la
diminution
du rapport volumétrique. Le travail disponible sur l'arbre est réduit à la
quantité juste
nécessaire pour l'entraînement du compresseur. Cependant, d'une part, il
assure la
même pression maximum de combustion grâce à une pression en sortie du
compresseur plus élevée qu'un moteur classique. D'autre part, la puissance
cédée aux
gaz d'échappement est plus élevée que dans un moteur classique et permet de se
servir
de l'arbre turbine comme arbre moteur.
Comme la puissance est prise sur une turbine, il s'agit pour le générateur de
gaz à
combustion interne d'avoir suffisamment de débit d'air et de pression, sans
augmenter
trop la cylindrée et donc la masse. Ceci est permis par une alimentation des
cylindres à
très forte pression et par la réduction du rapport volumétrique. Ainsi on
maintient une
pression de combustion très élevée qui permet un rendement optimal, avec une
cylindrée plus faible qu'un moteur diesel de même puissance. Le
refroidissement de
l'air après le compresseur permet aussi de diminuer la cylindrée nécessaire.
La tenue thermique de la chambre de combustion doit être garantie malgré le
fort taux
de compression à l'entrée des cylindres. Il est à noter que le cycle à quatre
temps est
moins sévère de ce point de vue qu'un cycle à deux temps.
On peut aussi refroidir l'air après chaque étage de compression, afin de
limiter la
température des cylindres et de la turbine évitant ainsi d'utiliser des
technologies
coûteuses.
Le refroidissement diminue aussi le travail nécessaire pour la compression.
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Par rapport à un moteur à cycle ouvert, la solution de l'invention permet des
rapports
de détente supérieurs dans la turbine libre, et un ratio air ¨ carburant plus
faible. Cela
permet de limiter le débit d'air et/ou la température en entrée de la turbine
libre à
puissance égale.
Conformément à une variante de réalisation représentée sur la figure 3, une
chambre
de combustion auxiliaire est incorporée entre l'échappement du moteur à
combustion
interne et la turbine libre.
Sur la figure 3, les gaz issus du moteur à combustion interne 14 passent dans
le
collecteur 19 et alimentent une chambre de combustion auxiliaire 30 qui est
équipée
d'un injecteur auxiliaire de carburant 31 et éventuellement d'un allumeur 33.
Le
conduit de dérivation d'air 25 débouche également dans la chambre de
combustion
auxiliaire 30. Il peut être raccordé éventuellement au collecteur 19. Les gaz
issus de la
chambre de combustion sont ensuite dirigés vers la turbine libre 6.
L'injection de carburant dans la chambre de combustion auxiliaire 30 est
commandée
suivant la phase ou le mode de fonctionnement du moteur. Les gaz de la chambre
de
combustion auxiliaire proviennent ainsi soit des cylindres, soit de la
dérivation 25, soit
partiellement de chaque circuit. Les débits de gaz de chaque circuit sont
contrôlés par
des vannes appropriées. Le conduit 25 est par exemple pourvu d'une vanne 26
commandant la dérivation de l'air venant du compresseur 21.
Un mode de fonctionnement au démarrage est par exemple le suivant. Le moteur à
combustion interne 14 est entraîné par un démarreur non représenté alimenté en
énergie électrique ou pneumatique selon le cas. Il entraîne le compresseur qui
alimente
la chambre de combustion auxiliaire. Les gaz produits entraînent la turbine
qui fournit,
par l'intermédiaire du récepteur 7 et d'un agencement approprié, de l'énergie
additionnelle au démarreur. Ce dernier peut alors entraîner le moteur à
combustion
interne avec une puissance suffisante pour le démarrer convenablement.
Selon d'autres modes de réalisation non représentés,
un compresseur est incorporé entre l'échappement du moteur à combustion
interne et la chambre de combustion, ou
une turbine supplémentaire est alimentée par une partie des gaz d'échappement
du moteur à combustion interne, l'arbre de la turbine supplémentaire étant lié
mécaniquement à celui du moteur à combustion interne.
