Brevet FR2737838A1 — publié le 19970214

SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT INTEGRÉ POUR CONVERTISSEUR DE PUISSANCE UTILISANT L'AIR D'ADMISSION D'UNE TURBINE La présente invention concerne de façon générale un système intégré de machine motrice et de génération/conditionne- ment de puissance électrique et un système amélioré de refroidis- sement et de dissipation des pertes thermiques mécaniques et électriques. Les génératrices constituent un type de machine élec- trique utilisé pour produire de l'énergie électrique. Le fonc- tionnement d'une génératrice est basé sur le principe de l'induc- tion électrique par lequel un flux périodique d'électricité est produit dans un conducteur en boucle par suite de la variation périodique du flux des lignes de force magnétiques passant dans la boucle. Pour cela, ou bien la boucle est amenée à tourner dans un champ magnétique constant, ou bien le champ magnétique peut être rendu tournant. Ainsi, un entrefer est formé entre l'élément tournant et l'élément fixe. De nombreuses génératrices assurent le refroidissement des éléments tournants et fixes en faisant passer de l'air dans l'entrefer entre ces composants pour augmen- ter la durée de vie et le rendement de la génératrice. Ainsi, l'énergie électrique est dirigée vers un conver- tisseur de puissance et la conversion prend place. Le processus de conversion produit de la chaleur et le convertisseur de puissance nécessite donc un refroidissement. De nombreuses génératrices utilisent un refroidissement par air dans lequel une soufflante ou une pompe est utilisée pour accélérer l'air entrant dans l'entrefer. En outre, de telles soufflantes et pompes ont été utilisées pour refroidir les compo- sants pendant la conversion électrique par changements de phase et conversion de continu en alternatif. Des solutions aux problèmes de refroidissement compli- quent la structure, augmentent les coûts et compliquent la conception du système utilisé pour refroidir la génératrice, les moteurs, et l'équipement de conversion alors que l'on essaye d'augmenter le rendement. La présente invention vise à pallier un ou plusieurs des problèmes exposés ci-dessus. Selon un aspect de la présente invention, un système de refroidissement par air est disposé à l'intérieur d'une enceinte. Le système de refroidissement par air fournit un fluide de refroidissement pour refroidir des composants électriques et fournit un fluide combustible à un moteur à turbine à gaz compor- tant une partie de compresseur et une partie de brûleur. Le système de refroidissement par air comprend un filtre à travers lequel le fluide de refroidissement est au moins partiellement nettoyé. Plusieurs compartiments contiennent au moins une partie des composants électriques, et le flux de refroidissement est dirigé à partir du filtre en passant par les compartiments autour et le long des composants électriques avant d'entrer dans la partie de compresseur et d'être dirigé vers la partie de brûleur du moteur à turbine à gaz. Selon un autre aspect de l'invention, un système de refroidissement par air est disposé dans une enceinte, le système de refroidissement par air fournit un fluide de refroidissement pour refroidir les composants électriques et fournit un fluide combustible à un moteur à turbine à gaz. Le système de refroidis- sement par air est constitué d'une pluralité de compartiments contenant au moins une partie des composants électriques et le fluide de refroidissement est dirigé pour passer par la pluralité de compartiments autour et le long des composants électriques avant d'entrer dans le moteur à turbine à gaz. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue de côté partiellement en coupe d'un ensemble intégré d'une machine électrique et d'un moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe d'une partie du système de refroidissement, prise selon la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une vue de face d'une partie du système de refroidissement; et la figure 4 est une vue partiellement en coupe d'une partie du système de refroidissement prise selon la ligne 4-4 de la figure 1. La figure 1 représente un système de refroidissement par air 10. Le système de refroidissement par air 10 comprend une enceinte 12 contenant un moteur à turbine à gaz 14 et une machine électrique 16 qui dans cet exemple est une génératrice. A l'inté- rieur de l'enceinte 12 et faisant partie du système de refroidis- sement par air 10 se trouve également un échangeur de chaleur 18 et un convertisseur de puissance intégré 20 dont le contour est représenté en pointillés. L'enceinte 12 comporte une partie supé- rieure 22, une partie inférieure 24, une paire de parties d'extrémité 26 et une paire de parties latérales 28, comme on le voit mieux en figure 2. Comme cela est en outre représenté en figure 3, l'enceinte 12 comprend aussi une ouverture d'admission disposée dans l'une de la paire de parties d'extrémité 26. Un filtre 32 est disposé dans l'ouverture d'admission 30 et l'enceinte 12 est divisée en plusieurs compartiments 34. Par exemple, la partie d'entrée 30 communique avec un premier compar- timent 36 qui, dans cet exemple, est disposé au-dessus du moteur à turbine à gaz 14, de la génératrice 16 et du convertisseur de puissance intégré 20. Le premier compartiment est en outre défini par la partie supérieure 22, l'extrémité supérieure de l'une de la paire de parties d'extrémité 26 et l'extrémité supérieure de la paire de parties latérales 28. Le premier compartiment 36 est séparé d'un second compartiment 38 par une cloison 40. Ainsi, le premier compartiment est défini par la partie supérieure 22, les extrémités supérieures de la paire de parties d'extrémité 26 et de la paire de parties latérales 28 et la cloison 40. La cloison 40 comprend plusieurs ouvertures 42 dont une paire d'ouvertures 44 permet une communication entre le premier compartiment 36 et le second compartiment 38. Le second comparti- ment 38 est disposé de façon axiale par rapport au moteur à turbine à gaz 10 et à la génératrice 16 et est de façon générale en alignement avec ceux-ci. Le second compartiment 38 est en outre défini par le reste de l'une des parties d'extrémité 26, une partie de la paire de parties latérales 28, la partie infé- rieure 24 et le convertisseur de puissance 20. Le second compar- timent 38 est de façon générale fermé à l'exception de la paire d'ouvertures 44 qui sont disposées près d'une partie supérieure 46 du second compartiment 38 et agissent conme partie d'admission 48 pour de l'air atmosphérique filtré, désigné par les flèches 50, qui sera utilisé pour le refroidissement et une partie de sortie 52 près de la partie inférieure 24 de l'enceinte 12. Ainsi, le second compartiment 38 est défini par la partie d'entrée 48 près de la paire d'ouvertures 44, l'une de la paire de parties d'extrémité 28, une partie de la paire de parties latérales 26, la partie de sortie 52 et le convertisseur de puissance 20. Dans l'enceinte 12 est en outre disposé un troisième compartiment 60 constituant une autre partie du système de refroidissement par air 10. Le troisième compartiment 60 est placé sous le premier compartiment 36 et est axialement disposé entre le second compartiment 38 et le moteur à turbine à gaz 14 et la génératrice 16. Dans le troisième compartiment 60, fixées à un élément de plaque 62 constitué d'une seule pièce avec le convertisseur de puissance intégré 20 sont placées plusieurs ailettes 64. Une partie de la cloison 40 sépare le troisième cam- partiment 60 du premier compartiment 36 et une première ouverture 66 permet une communication entre le premier compartiment 36 et le troisième compartiment 60. Une cloison horizontale 68 sépare le troisième compartiment 60 du moteur à turbine à gaz 14 et de la génératrice 16. La cloison horizontale 68 est en outre disposée entre l'extrémité des ailettes 64 et le moteur à turbine à gaz 14 et la génératrice 16. L'élément de plaque 62 est fixé de façon étanche à une partie de la cloison 40 et constitue un autre paramètre du troisième compartiment 60. Le troisième compartiment 60 comprend en outre une partie de sortie 70 disposée près de la partie inférieure 24 de l'enceinte 12. Ainsi, le troisième compartiment est défini par la première ouverture 66, une entrée, la cloison horizontale 68, l'élément de plaque 62, une partie de la paire de parties latérales 28 et la partie de sortie 70. Le moteur à turbine à gaz 14 est porté dans l'enceinte par un élément structurel 80. Le moteur à turbine à gaz 14 comprend une partie de compresseur 82, une partie de brûleur 84 et une partie de turbine 86. Un élément de paroi 81 sert aussi de cloison et aide à former un quatrième compartiment 88. Le quatrième compartiment 88 est défini par l'élément de paroi 81, une partie de la paire de parties latérales 28, la cloison 40, la cloison horizontale 68 et la partie inférieure 24. Une ouverture d'admission est disposée dans la cloison 40 et établit une communication entre le quatrième compartiment 88 et le premier compartiment 36. La génératrice 16 est physiquement disposée dans le quatrième compartiment 88 et plusieurs ailettes 87 s'étendent autour de la génératrice 16. La partie de compresseur 82 comaprend une partie d'admission 90 en coummunication avec l'air atmosphé- rique filtré 50 et une partie de sortie qui est en communication avec la partie de brûleur 84. Comme le montre mieux la figure 4, la partie d'admission 90 comprend plusieurs ouvertures ou galeries 92 espacées entre la pluralité d'ailettes 87. Dans cet exemple, le moteur à turbine à gaz comprend en outre un récupéra- teur 94 comportant une partie d'extrémité d'admission d'air 96 pour l'air 50 et une partie d'extrémité d'échappement d'air 98 en communication avec la partie de brûleur 84. A titre de variante, le moteur à turbine à gaz 14 peut ne pas comprendre le récupérateur 94, sans que cela change l'esprit de l'invention. La structure résultante utilise de façon plus efficace le débit d'air atmosphérique filtré 50 pour l'utiliser pour une combustion par le moteur à turbine à gaz 14. On supprime le besoin de ventilateurs auxiliaires pour produire l'air de refroi- dissement. Le résultat d'ensemble de la structure est que l'on élimine des composants, que l'on dirige de l'air atmosphérique filtré 50 vers les composants à refroidir avant de l'utiliser pour une combustion dans le moteur à turbine à gaz. En fonctionnement, le moteur à turbine à gaz 14 est mis en route. Le système de refroidissement par air 10 se met en route quand de l'air de combustion 50 est aspiré à travers le filtre 32 et entre dans le premier compartiment 36 dans lequel une partie de l'air 50 est divisée et passe par les ouvertures 42 dans le second compartiment 38. Une autre partie de l'air 50 en provenance du premier compartiment 36 passe par la première ouverture 66, passe par l'échangeur de chaleur 18 et entre dans le troisième compartiment 60. Simultanément, une partie de l'air passe par la première ouverture 66 et l'échangeur de chaleur 18 et continue en passant par l'ouverture d'admission et pénètre dans le quatrième compartiment 88. L'air 50 sort du premier compartiment 36 par l'intermédiaire de l'ouverture 52 et entre dans le quatrième compartiment 88 et l'air 50 sort du second compartiment 60 par la partie de sortie 70 et entre dans le quatrième compartiment 88. Ainsi, tout l'air 50 va dans le quatrième compartiment 88 et est extrait par les ouvertures 92 dans la partie de compresseur 82 du moteur à turbine à gaz 14. L'air 50 dans le deuxième compartiment 38 agit crroe milieu de refroidissement tandis qu'il passe autour et le long du convertisseur de puissance intégré 20 avant de sortir par la partie de sortie 52 et d'entrer dans le quatrième compartiment 88. L'air 50 dans le troisième compartiment 60 agit crromme un milieu de refroidissement tandis que l'air 50 passe autour et le long des ailettes 64, refroidissant ainsi en outre le convertis- seur de puissance intégré 20. En outre, l'air 50 passe autour et le long de l'extrémité de la génératrice 16 et des ailettes 87 de la génératrice 16 avant d'entrer dans la partie de compresseur 82 du moteur à turbine à gaz 14. Ainsi, l'air 50 refroidit le convertisseur de puissance intégré 20 et la génératrice 16 avant d'être utilisé comme air de combustion 50 pour le moteur à turbine à gaz 14. Il a en outre été envisagé que le système de refroidis- sement par air 10 puisse encore être simplifié. Par exemple, l'air de refroidissement 50 passant par le deuxième compartiment 38 peut être éliminé. Il est en outre envisagé que l'air de refroidissement 50 passant par l'ouverture d'entrée 89 puisse être éliminé. Ainsi, l'air de refroidissement 50 passerait seulement par le premier compartiment 36 dans le troisième compartiment 60, autour et le long de la pluralité d'ailettes 87 pour sortir par la partie de sortie 70 et être extrait par la pluralité d'ouvertures 92 dans la partie de compresseur 82 du moteur à turbine à gaz 14. Une autre variante consisterait à éliminer le flux d'air 50 par le second compartiment 38 et à continuer à permettre à l'air 50 de passer par l'ouverture d'admission 89. Le système de refroidissement par air 10 comprend une structure qui utilise de façon plus efficace le débit d'air atmo- sphérique filtré 50 à utiliser pour une combustion par le moteur à turbine à gaz 14. Le besoin de ventilateurs auxiliaires pour produire l'air de refroidissement est éliminé. Ainsi, la struc- ture permet d'éliminer des composants, et de diriger l'air atmosphérique filtré 50 directement vers des composants à refroi- dir avant de l'utiliser pour une combustion dans le moteur à turbine à gaz 14. En utilisant le flux massique inmportant de l'air 50 extrait par le moteur à turbine 14 et en faisant circuler l'air 50 sur les ailettes 64, la dimension physique du radiateur du convertisseur de puissance est réduite de plusieurs ordres de grandeur par rapport à la dimension qu'il aurait avec une convec- tion libre normale. Ainsi, la dimension totale, le poids et le coût du système intégré de machine motrice et de généra- tion/conditionnement de puissance électrique sont réduits par rapport à des structures classiques. D'autres aspects, objets et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture des dessins de la description et des revendications ci-après. RZVEIDICATIOcS 1. Système de refroidissement par air (10) disposé dans une enceinte (12), ce système de refroidissement par air fournis- sant un fluide de refroidissement pour refroidir des composants électriques et fournir un fluide combustible à un moteur à turbine à gaz (14) comportant une partie de compresseur (82) et une partie de brûleur (84), caractérisé en ce qu'il comprend: un filtre (32) à travers lequel le fluide de refroidis- sement est au moins partiellement nettoyé; une pluralité de compartiments (34) dans lesquels au moins une partie des composants électriques est disposée; et des moyens pour diriger le fluide de refroidissement à partir du filtre en passant par la pluralité de compartiments autour et le long des composants électriques avant d'entrer dans la partie de compresseur (82) et d'être dirigé vers la partie de brûleur (84) du moteur à turbine à gaz. 2. Système de refroidissement par air selon la revendi- cation 1, dans lequel les composants électriques comprennent une machine électrique et un convertisseur de puissance intégré, les compartiments (34) comprenant un compartiment (88) dans lequel est disposée la machine électrique et un autre compartiment (38) dans lequel est refroidi le convertisseur de puissance élec- trique. 3. Système de refroidissement par air selon la revendi- cation 2, dans lequel le flux de refroidissement refroidit de façon directionnelle le convertisseur de puissance intégré avant de refroidir la machine électrique. 4. Système de refroidissement par air selon la revendi- cation 3, dans lequel le convertisseur de puissance intégré comprend un élément de plaque (62) faisant partie du convertis- seur de puissance intégré et l'élément de plaque comnporte une pluralité d'ailettes (64) qui lui sont fixées. 5. Système de refroidissement par air selon la revendi- cation 4, dans lequel les ailettes (64) sont en relation de dissipation thermique avec le fluide de refroidissement. 6. Système de refroidissement par air selon la revendi- cation 3, dans lequel la machine électrique comprend une plu- ralité d'ailettes (87) en relation de dissipation thermique avec le fluide de refroidissement. 7. Système de refroidissement par air selon la revendi- cation 1, dans lequel la pluralité de compartiments comprend un premier compartiment (36) à partir duquel le fluide de refroidis- sement est réparti vers un second compartiment (38) et un troi- sième compartiment (60). 8. Système de refroidissement par air selon la revendi- cation 7, dans lequel un élément de plaque (40) sépare le premier compartiment du second compartiment et le fluide de refroidisse- ment passant par chacun du premier et du deuxième compartiment refroidit un convertisseur de puissance intégré. 9. Système de refroidissement par air selon la revendi- cation 7, dans lequel le premier compartiment comprend un échan- geur de chaleur.