Brevet FR2776018A1 — publié le 19990917

L'invention s'applique à la propulsion et à la génération d'énergie des navires de surface ou des sous-marins, ou à des installations similaires, qui utilisent des turbines à combustion interne, c'est à dire suivant un cycle de Carnot, dont la source chaude est obtenue par combustion d'un carburant du type hydrocarboné dans l'oxygène de l'air ou dans l'oxygène pur et utilisant la mer comme source froide. Dans l'état actuel de l'art, les navires ou les sous-marins à propulsion dite "classique" sont dotés d'un système thermique de propulsion ou de génération d'énergie électrique utilisant l'oxygène contenu dans l'air ou stocké à bord. A bord des navires de surface, ce système assure la propulsion du navire en actionnant directement ou non un dispositif du type hélice ou pompe. Les besoins énergétiques du bord sont également satisfaits par la production d'électricité par des générateurs entraînés par des machines thermiques. Les navires militaires recherchant la plus grande discrétion dans tous les domaines, dont celui du rayonnement infrarouge, il est souhaitable de rendre les rejets thermiques moins détectables en les diluant dans la mer plutôt que dans l'atmosphère, ce qui condamne les systèmes rejetant de grandes quantités de gaz chauds. D'autre part, les procédés de propulsion ou de génération électrique en faveur par turbine à gaz demandent de gros volumes dans les superstructures pour y loger les filtres d'aspiration et les dispositifs d'évacuation et de dilution des échappements. Il est donc également souhaitable de trouver un système de propulsion qui simplifie l'architecture des superstructures par de faibles exigences d'encombrement. A bord des sous-marins, le système thermique charge la batterie d'accumulateurs et assure directement ou indirectement la propulsion pendant les périodes de marche en surface ou au schnorchel: les contraintes d'emploi du schnorchel et des systèmes d'échappement incitent à réduire la consommation spécifique d'air et le volume des rejets gazeux. Les sous-marins embarquant de l'oxygène sous une forme quelconque sont de plus capables de faire fonctionner en plongée une propulsion thermique ou un générateur électrique: dans ce cas et bien que les systèmes utilisés puissent recycler d'une manière ou d'une autre le fluide de travail, l'indispensable rejet des excédents de combustion ne peuvent se faire qu'à la mer, en surmontant la pression hydrostatique environnante. Il est donc également souhaitable de diminuer, en fonctionnement atmosphérique, les exigences en air et, dans tous les cas, le volume des rejets gazeux. L'invention permet de satisfaire aux exigences énoncées ci-dessus en réduisant la demande d'air à ce qui est strictement nécessaire au bon fonctionnement de la combustion et en réduisant le volume des rejets gazeux. Elle permet le fonctionnement dit "aérobie" de la turbine utilisée sur l'oxygène de l'air, ou celui dit "anaérobie" sur l'oxygène pur stocké à bord. Si des turbines à vapeur et à gaz ont été déjà réalisées par le passé, en cycle fermé ou ouvert, telle la turbine Walter (1944), une turbine dotée de fonctionnement mixte et réglée de façon à donner un rendement satisfaisant dans les deux modes aérobie et anaérobie n'existe pas encore. L'invention utilise le procédé connu de vaporisation et surchauffe d'un fluide de travail par mélange direct dans une chambre de combustion sous pression avec un carburant brûlé dans de l'air ou de l'oxygène pur. Le mélange gazeux à haute température, fluide de travail, produits de combustion et éventuellement gaz neutres si de l'air est utilisé, actionne par détente une turbine en produisant de l'énergie mécanique. Le mélange gazeux est ensuite refroidi et condensé; les constituants liquides et gazeux sont séparés. Le fluide de travail sous forme liquide retourne vers la chambre de combustion pour fermer le cycle tandis que les excédents de combustion, du liquide et des gaz, sont évacués. Ce système simple peut être amélioré, selon l'état de l'art, par une resurchauffe après première détente et extraction supplémentaire d'énergie dans une deuxième turbine: dans ce cas, la resurchauffe sera créée par une deuxième chambre de combustion similaire à la première, fonctionnant à température identique mais à pression plus basse. Selon l'invention, les pertes intrinsèques des systèmes thermiques à fluide condensable (chaleur de condensation perdue dans la source froide) sont palliés par l'adoption, à l'entrée de la turbine, d'une température élevée et d'une pression modérée augmentant fortement l'entropie du fluide, ce qui autorise, après détente à la sortie de la turbine, la récupération de la partie de l'énergie thermique excédant l'énergie de condensation et non convertie en travail. Il est donc ajouté donc aux éléments décrits ci-dessus, un élément spécifique à l'invention qui est un échangeur de chaleur entre sortie de turbine et sortie de condenseur. Autre ajout spécifique à l'invention, le compresseur d'air qui, dans le fonctionnement aérobie, est nécessaire à l'alimentation de la chambre de combustion; il peut être réalisé avec ou sans réfrigération intermédiaire, ou à taux de compression variable s'il lui faut s'adapter à des conditions variables de pression d'air. Enfin, l'évacuation des produits liquides en excès exige, après séparation, une pompe de refoulement et celui des gaz une soufflante ou un deuxième compresseur, la première utilisable en échappement aérien et le dernier étant indispensable pour l'échappement sous-marin. Font partie intégrante de l'invention, les dispositifs spécifiques de l'installation pour sous- marin permettant de passer du fonctionnement aérobie à celui anaérobie et vice versa; sectionnement du compresseur d'entrée ou isolement de sa turbine d'entraînement, accouplement-désaccouplement du dit compresseur; aiguillage de l'expulsion des résidus gazeux vers une soufflante ou un compresseur ou dispositif de shuntage des derniers étages d'un compresseur commun; réglage des débits relatifs de carburant, d'oxydant et de fluide de travail. Ne font pas partie de l'invention mais doivent être présents: pompes d'extraction, de circulation et d'injection des divers fluides, dispositifs auxiliaires tels que dégazeur et régulateur de pression du fluide nécessaires suivant les règles de l'art en matière de machine à fluide de travail condensable. Les dispositions suivantes peuvent être satisfaites suivant divers procédés: les compresseurs, soufflantes et pompes sont entraînées indifféremment par la turbine principale, des étages de détente dédiés de la sus-dite turbine, des turbines auxiliaires dépendantes ou non de la même chambre de combustion ou des moteurs électriques; le carburant et l'oxygène peuvent être réchauffés avant injection et l'oxygène liquide, s'il est utilisé, peut servir d'abord à refroidir la sortie de la turbine ou le condenseur. Dans la réalisation pour sous-marin représentée schématiquement à titre d'exemple en figure 1, qui utilise de l'eau comme fluide de travail, un compresseur I permet, dans le fonctionnement aérobie, l'admission de l'air sous pression sous forme gazeuse dans la chambre de combustion 2 tandis que dans le fonctionnement anaérobie, l'oxygène qui substitue l'air est injecté sous pression en 4 dans la chambre de combustion 2 sous forme liquide ou gazeuse suivant qu'il est disponible sous forme liquide cryogénique ou sous forme gazeuse haute pression. Le carburant est injecté sous forme liquide en 3 dans la chambre de combustion 2 o il brûle dans l'oxygène en vaporisant l'eau injectée sous forme liquide en 5 et porte à haute température l'ensemble des produits de combustion, la vapeur et éventuellement l'azote et les quelques gaz rares présents. Cet ensemble gazeux actionne par détente une turbine 6, simple ou multiple, qui fournit l'énergie mécanique recherchée et entraîne, dans cet exemple, le compresseur 1. La sortie de la turbine débouche dans un condenseur 8 dans lequel est maintenu, par refroidissement à l'eau de mer, une basse température et une basse pression, mais avant d'atteindre ce condenseur, les gaz encore chauds cèdent une grande partie de leur énergie thermique dans un échangeur de chaleur 7 qui échauffe le fluide de travail entre la sortie du condenseur et l'injection dans la chambre de combustion. L'eau est maintenu sous pression par des pompes d'extraction et de circulation 9 pour éviter sa vaporisation dans l'échangeur de température 7, il se dégaze au cours de cet échauffement et une cloche 10 sert à recueillir ces gaz et à réguler la pression du circuit liquide. L'eau en excès après condensation et séparation est rejeté par une pompe 11. Les gaz non condensés, c'est à dire du gaz carbonique et l'azote de l'air dans le fonctionnement aérobie, sont extraits du condenseur et envoyés vers une soufflante 12 si l'échappement est aérien ou un second compresseur 13, si l'échappement est sous-marin. Pour permettre le passage du fonctionnement aérobie à celui anaérobie et vice versa, le compresseur d'entrée peut être isolé par une vanne 15 et un embrayage 14 tandis qu'un boisseau 16 réalise l'aiguillage de l'échappement gazeux. L'originalité du procédé décrit réside dans la symbiose entre les techniques, utilisées jusqu'à présent séparément, des turbines à gaz et celles des turbines à vapeur. Le réglage original adopté pour les températures et les pressions et le dosage entre air ou oxygène, carburant et fluide de travail, rend le système techniquement viable. C'est pour faciliter la réalisation du premier compresseur, en fonctionnement aérobie, ou celle de l'injection d'oxygène, en fonctionnement anaérobie, que la combustion est réalisée sous pression modérée; elle est du même ordre de grandeur que celle adoptée dans la réalisation des turbines à gaz, soit de l'ordre de 15 à 20 bars. Pour permettre de rejoindre un rendement acceptable malgré une pression nettement plus faible que dans une turbine à vapeur classique, la température à l'entrée de la turbine est montée à une valeur anormalement élevée pour une turbine à vapeur, mais normale pour une turbine à gaz, valeur limitée par la tenue des aubages de tête de la turbine à environ 1200 oC à la date de cette invention. C'est la combustion interne qui permet cette haute température en autorisant le montage direct de la sortie de la chambre de combustion sur l'étage d'entrée de la turbine. La pression modérée de fonctionnement permet une conception allégée de la turbine et évite la séparation en turbines haute et basse pression. Cette pression modérée de fonctionnement et la haute température engendre une température de sortie de turbine élevée: c'est ce qui rend possible la récupération d'énergie, avant d'atteindre le début de la condensation, par échange de chaleur entre le fluide de travail à l'état gazeux, entre turbine et condenseur, et le fluide de travail à l'état liquide, entre condenseur et chambre de combustion, chose normalement impossible dans une turbine à vapeur. L'échangeur de chaleur gaz-liquide est original car il empruntera aux appareils évaporateurs des machines à vapeur la technique de chauffe d'un liquide par des gaz qui sont ici issus de la turbine, et à celle des chaufferies nucléaires la surpressurisation qui évite la vaporisation du liquide, Les valeurs utilisées seront de l'ordre de 250 à 300 C avec une pression de l'ordre de 40 à bars. L'énergie thermique rétrocédée à la source froide n'est plus évacuée dans l'atmosphère par le fluide de travail comme dans une turbine à gaz, mais dans la mer par l'eau de refroidissement du condenseur comme dans une turbine à vapeur. Enfin, la combustion interne comme dans les turbines à gaz et non externe comme dans les turbine à vapeur, outre qu'elle améliore le rendement, supprime les appareils évaporateurs et leurs rejets de chaleur dans l'atmosphère. Les excédents gazeux non condensables sont peu volumineux et à basse température, ils sont facilement rejetés dans l'atmosphère par de simples soufflantes ou sous la mer par un compresseur et leur signature thermique peut être considérée comme nulle. Revendications 1. Procédé de production d'énergie mécanique par une machine thermique à cycle semi-fermé avec récupération de chaleur, ayant pour principe la détente dans une turbine 6 d'un fluide de travail condensable vaporisé dans une chambre de combustion 2 (source chaude) par injection 4 au milieu des gaz produits par la combustion d'un carburant, le dit fluide de travail recirculant après condensation dans un condenseur 8 (source froide) et après rejet des produits de combustion, dont l'excès de liquide par la pompe 1 l; caractérisé par un échangeur 7 transférant, grâce à la très haute température et à la pression modérée d'admission en entrée de turbine, de la chaleur depuis le fluide de travail et les produits de combustion en phase gazeuse, en sortie de turbine et avant condensation, vers le fluide de travail condensé, recirculant au moyen de la pompe 9 et du régulateur 10 sous phase liquide avec surprcssurisation, après extraction du condenseur 8. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par un compresseur 1 amenant à la pression de fonctionnement choisie la quantité d'air nécessaire au bon fonctionnement de la combustion d'un carburant 3 injecté dans la chambre de combustion 2 et par une extraction à la sortie du condenseur 8 des gaz de combustion non condensés et leur rejet basse pression par une soufflante 12. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'injection 4 dans la chambre de combustion 2 d'oxygène sous forme liquide ou gazeuse en quantité nécessaire au bon fonctionnement de la combustion d'un carburant 3 et par une extraction à la sortie du condenseur 8 des gaz de combustion non condensés et leur expulsion moyenne pression par un compresseur 13. 4. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé par les vannes d'isolement du compresseur 15 et l'arrêt de son entrainemrent mécanique 14, permettant de choisir pour la chambre de combustion 2 l'admission par un compresseur 1 de la quantité d'air nécessaire ou l'injection 4 d'oxygènc sous forme liquidc ou gazeusc en quantité nécessairc; par l'aiguillage 16 de l'échappement gazeux entre soufflante 12 ou compresseur ou par un shuntage des étages de compression du dit-compresseur 13, permettant de choisir entre le rejet basse pression ou l'expulsion moyenne pression des gaz de combustion non condensés.