Brevet FR3028243A1 — publié le 20160513

La présente invention concerne le domaine de la propulsion mécanique, en particulier du secteur aéronautique, dont la plupart des systèmes de propulsion des aéronefs sont équipés d'une turbomachine. De tels systèmes avec une turbomachine présentent de nombreux avantages : - une densité de puissance très élevée qui les rendent très compétitifs sur les systèmes volants, - une capacité à fonctionner au-delà de sa puissance nominale sur des durées limitées, permettant des manoeuvres d'urgence très importante sur un aéronef, 1 0 - une grande simplicité mécanique et donc une grande fiabilité, indispensable pour tenir les objectifs de certification. Cependant, un des principaux inconvénients est la consommation spécifique élevée en carburant, particulièrement à faible puissance, ce qui les rend limitants dans l'objectif 1 5 de réduire la consommation et les émissions de CO2. A l'inverse, le moteur à combustion interne, tel que celui à pistons, présente l'avantage d'avoir une très bonne consommation spécifique sur l'ensemble de sa plage de fonctionnement. 20 Il est néanmoins limité du point de vue de la densité de puissance qui reste environ quatre fois plus faible que celle d'une turbomachine de puissance équivalente, ainsi que sur la fiabilité du fait de la complexité du mécanisme. Le déploiement de l'utilisation du moteur à combustion dans le secteur aéronautique, pour supplanter les turbomachines, est actuellement difficile du fait de ces 25 inconvénients que ne compense pas suffisamment sa faible consommation spécifique. La présente invention se propose de concevoir un système de propulsion qui associe de façon optimisée les deux systèmes : turbomachine et moteur à combustion interne, afin de cumuler leurs avantages des deux systèmes et de limiter leurs inconvénients afin d'avoir 30 un système qui globalement a: - une meilleure consommation spécifique que la turbomachine, - une plus forte densité de puissance que le moteur thermique. On connait le document US2011108663A qui décrit de manière générique le couplage mécanique de deux systèmes de conversion d'énergie qui peuvent être différents. Ce couplage maintient une distinction entre ces deux systèmes et ne permet pas d'effectuer de synergie autre que celle autorisée par la jonction mécanique et le degré de liberté supplémentaire qu'elle autorise. Par conséquent, le rendement énergétique de l'ensemble couplé mécaniquement ne dépassera pas le rendement du système de conversion le plus efficace. La présente invention concerne un système optimisé mutualisant les éléments des lignes d'admission en air et/ou d'échappement des gaz brulés de deux systèmes de conversion d'énergie pour constituer un ensemble intégré et indissociable dédié à la propulsion d'un véhicule. A cet effet, l'invention concerne un système de propulsion optimisé comportant au moins une turbomachine et un moteur à combustion interne suralimenté couplés mécaniquement, caractérisé en ce qu'il comporte en sus des moyens d'échange d'au moins un fluide entre ladite turbomachine et des moyens de suralimentation dudit moteur, de façon à optimiser les énergies distribuées par la turbomachine et/ou par le moteur à combustion interne. Les moyens de suralimentation peuvent comprendre un turbocompresseur entrainé par des gaz d'échappement dudit moteur. Les moyens d'échange peuvent comprendre une conduite qui amène au moins une 25 partie des gaz d'échappement dudit turbocompresseur dans au moins une turbine de ladite turbomachine. Les moyens d'échange peuvent comprendre une conduite qui amène au moins une partie du comburant comprimé dans la turbomachine vers l'admission dudit 30 turbocompresseur. La turbomachine peut comporter une turbine libre. Les arbres moteurs de la turbomachine et du moteur à combustion interne peuvent être solidaires mécaniquement d'un arbre de propulsion, par l'intermédiaire d'embrayage et/ou de boite de vitesse. Les moyens d'échange comprennent une conduite de recirculation d'au moins une partie des gaz d'échappement dudit moteur à combustion interne dans la chambre de combustion de ladite turbomachine. Le moteur à combustion interne peut être un moteur à pistons suralimenté. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit avec des exemples, nullement limitatifs, de mise en oeuvre de réalisation, illustrée par les figures ci-après annexées : - les figures la et lb montrent schématiquement le principe du couplage selon 1 5 l'invention pour les cas d'une turbomachine respectivement à turbine liée et à turbine libre; - les figures 2a, 2b, 2c et 2d illustrent différentes variantes d'échange de fluides : comburant et/ou de gaz d'échappement ; - la figure 3 montre un mode de recirculation des gaz d'échappement et - la figure 4 montre un exemple de calcul de consommation spécifique selon la 20 présente invention. Les figures la et lb illustrent schématiquement le système selon l'invention dans le cas du couplage entre un moteur thermique suralimenté 1, comme un moteur à combustion interne, et une turbomachine 2. 25 La turbomachine de la figure la est une turbomachine à turbine liée 3 qui comprend une turbine 4 et des moyens de compression 5 d'un comburant fluide, ici de l'air extérieur, alors que la turbomachine de la figure lb est une turbomachine à turbine libre 3' qui comprend également une turbine 4' et des moyens de compression 5' d'un comburant fluide, ici également de l'air extérieur. 30 Comme cela est illustré sur les figures la et lb, la turbomachine comprend des moyens de compression d'air 5, 5' avec un ou plusieurs étages de compression, ici deux 6a, 6b et 6'a, 6'b, alimentant une chambre de combustion 7, 7' évacuant les gaz brûlés vers une turbine 4, 4' avec un ou plusieurs étages de détente, ici deux étages respectivement 8a, 8b et 8'a, 8'b, récupérant l'énergie thermique de ces gaz. L'énergie thermique ainsi récupérée est convertie en énergie mécanique qui sera transmise à un autre organe 9, 9' permettant d'assurer la propulsion (boîte de transfert ou hélice de propulsion par exemple), et d'alimenter le ou les étages de compression de moyens de compression 5, 5'. Dans ce dernier cas, au moins un étage de détente des turbines 4, 4' alimentant les étages de compression en énergie mécanique sont reliées au même arbre 10. L'énergie mécanique dédiée à la propulsion peut soit être fournie par ce même arbre dans le cadre d'une turbine liée (figure la), soit par une turbine libre reliée à un arbre de transmission 11 séparé (figure lb). Le moteur 1 est raccordé à des moyens de suralimentation 12, qui peut comprendre un turbocompresseur. Le turbocompresseur comprend un compresseur 13 d'un fluide, ici de l'air extérieur, et une turbine 14 reliés entre eux par un arbre mécanique 15. Placée dans la ligne d'échappement (non représentée) du moteur thermique, la turbine effectue une détente des gaz d'échappement provenant du moteur et actionne mécaniquement, à l'aide de l'énergie ainsi récupérée, le compresseur auquel elle est reliée. Le compresseur ainsi entraîné génère un débit d'air 16 forcé qui induit une augmentation de la pression d'admission et de la quantité d'air ingérée par le moteur. La référence E symbolise les moyens d'échange de fluide entre les moyens de suralimentation 4 et la turbomachine 2. Généralement, ces fluides peuvent être : le comburant, le carburant, les gaz d'échappement. Les arbres moteurs, respectivement 10, 11 et 17 de la turbomachine et du moteur à combustion interne, comportent des moyens mécaniques de couplage 18 et 19 pour distribuer l'énergie produite à l'arbre de propulsion 20 de l'appareil aéronautique. Ces moyens mécaniques sont à la portée de l'homme du métier et consistent principalement en assemblages d'embrayages et/ou de boites de réduction/multiplication. La figure 2a illustre un exemple de réalisation d'une turbomachine à turbine libre selon l'invention dans laquelle les moyens de suralimentation 12 comportent un turbocompresseur entrainé par des gaz d'échappement 21 du moteur à combustion interne 1 et dans laquelle lesdits gaz d'échappement sont amenés sur la turbine 8'b de la turbomachine par un conduit 22 afin d'en récupérer le maximum d'énergie et cela en association avec les gaz brûlés venant de la chambre 7'. L'avantage de cette variante est d'offrir une augmentation du rendement de l'ensemble, en permettant d'exploiter, à l'aide de la turbine 8'b, l'énergie résiduelle des gaz d'échappement 21 qui serait autrement perdue. Un effet d'échelle intéressant est que cela nécessite l'emploi d'une turbine libre à plus gros débit, et donc avec des rendements de détente supérieurs. La figure 2b montre une variante dans laquelle les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1 sortant de la turbine 14 sont amenés à l'ensemble des turbines 8'a, 8'b de la turbomachine par un conduit 23 pour traverser ces turbines en association avec les gaz brûlés venant de la chambre 7'. De plus, dans cette variante, on alimente le compresseur de suralimentation 13 par le prélèvement par une conduite 24 d'un comburant comprimé, par exemple par le premier étage 6'a des moyens de compression 5' de la turbomachine. Le double usage des étages de compression et de détente à la fois pour le moteur thermique et la turbomachine permet là aussi d'utiliser un compresseur et une turbine au débit plus élevé, et donc de meilleur rendement, tout en mutualisant une partie des composants pour augmenter la compacité et réduire la masse. Il autorise également un fonctionnement du moteur thermique à pression de suralimentation plus élevé, avec des gains potentiel de rendement du moteur thermique ou une augmentation de la plage d'utilisation du moteur thermique (notamment pour un fonctionnement étendu en altitude), sans pour autant nécessiter l'ajout d'éléments de suralimentation complémentaires, préjudiciables à l'encombrement. La figure 2c décrit une variante dans laquelle lesdits moyens d'échange de fluide entre la turbomachine et les moyens de suralimentation du moteur thermique, comprennent un étage de compresseur 6'c et un étage de turbine 8'c dédiés aux échanges avec le turbocompresseur 12 du moteur thermique. Ceci permet une compression du comburant en deux étages par le compresseur 6'c de la turbomachine et le compresseur 13 du turbocompresseur 12 raccordés par une conduite 24 et une récupération de l'énergie des gaz d'échappement dans une turbine spécifique 8'c par une conduite 23 raccordant la turbine 14 du turbocompresseur et la turbine 8'c. L'étage de suralimentation ajouté au moteur thermique étant relié mécaniquement à la turbomachine, il est possible de le contrôler indépendamment du point de fonctionnement du moteur thermique de façon à améliorer la circulation d'air en conditions stabilisées comme en transitoires, notamment dans des conditions critiques de fonctionnement (en altitude notamment) nécessitant un taux de compression élevé des gaz 11 est aussi possible, via cette architecture, de récupérer de l'énergie sur l'arbre de la turbine liée de la turbomachine, afin de réduire l'énergie à fournir au compresseur pour la compression des gaz. La figure 2d est une variante de la figure 2c pour laquelle on ajoute deux conduits 25 et 26 de répartition, respectivement du comburant et du gaz brûlés. Cette variante permet de disposer de deux compresseurs 6'b et 6'c fonctionnant en parallèle en amont de l'étage de compression 6'b de la turbomachine et d'injecter les gaz brûles de la chambre 7' dans la turbine 8'a en plus des gaz d'échappement venant de la turbine 14. Ceci permet un contrôle fin de la suralimentation du moteur thermique tout en donnant une latitude quant au choix des composants de turbine et compresseur. La figure 3 décrit encore une autre variante de couplage entre le moteur thermique et la turbomachine à turbine libre avec récupération d'énergie complémentaire des gaz d'échappement du moteur thermique par le conduit 23 et une conduite 27 de recirculation de gaz d'échappement dont le débit est contrôlé par une vanne 28, par exemple du type d'une vanne EGR. Cette variante permet ainsi, dans le cadre d'un arrêt de la turbomachine, de disposer en entrée de la chambre de combustion d'un gaz chaud, sous-pression, contenant de l'oxygène qui permet un rallumage de la chambre de combustion 7' et donc de la turbomachine par la suite. Par ailleurs, dans un objectif de limitation des émissions polluantes de la turbomachine (notamment des N0x), ces gaz permettent de réduire les richesses de fonctionnement (fonctionnement similaire à de l'EGR sur moteur à pistons). Ainsi, la présente invention comportant un couplage d'un moteur thermique avec une turbomachine peut être réalisée de diverses manières. Le couplage entre ces deux systèmes comporte un lien mécanique et des moyens d'échange de fluide par mutualisation d'organes, notamment pour la fourniture du comburant (air) aux différentes chambres de combustion et pour la récupération d'énergie 1 0 des gaz d'échappement. Les avantages obtenus sont les suivants : - une meilleure consommation spécifique par rapport à un système équivalent basé uniquement sur une turbomachine, - une plus forte densité de puissance par rapport à un système équivalent basé 15 uniquement sur un moteur thermique, - une mutualisation de certains composants de façon à réduire le poids et le coût du système global, - réaliser des synergies permettant notamment de récupérer de l'énergie sur un des systèmes en utilisant tout ou partie de l'autre système, 20 - limiter la production de polluant, - optimiser les performances transitoires du système global en contrôlant séparément le fonctionnement de la turbomachine et du moteur thermique, - Redémarrer plus facilement l'un ou l'autre des deux systèmes en bénéficiant de l'apport de couple ou de comburant dans un état thermodynamique plus favorable (gaz 25 plus chaud ou sous pression par exemple). Sur la figure 4, on peut voir un exemple de calcul de consommation spécifique (CS) en fonction de la puissance estimée (Pe) de chaque système : turbomachine (courbe TM), moteur thermique (courbe TH) et couplage des deux selon l'invention (courbe TC). 30 Les densités de puissance estimée de la turbomachine étant environ de 4 kW/kg, du moteur à combustion interne de 1,75kW/kg, à iso puissance, pour obtenir une densité de puissance de l'invention d'environ 2,4 kW/kg, en couplage. REVENDICATIONS1) Système de propulsion optimisé comportant au moins une turbomachine (2) et un moteur à combustion interne suralimenté (1) couplés mécaniquement, caractérisé en ce qu'il comporte en sus des moyens d'échange (E) d'au moins un fluide entre ladite turbomachine et des moyens de suralimentation (12) dudit moteur, de façon à optimiser les énergies distribuées par la turbomachine et/ou par le moteur à combustion interne. 2) Système de propulsion selon la revendication 1, dans lequel les moyens de suralimentation comprennent un turbocompresseur (12) entrainé par des gaz d'échappement dudit moteur. 3) Système de propulsion selon la revendication 2, dans lequel lesdits moyens d'échange comprennent une conduite (22, 23) qui amène au moins une partie des gaz d'échappement dudit turbocompresseur dans au moins une turbine (8'a, 8'b, 8'c) de ladite turbomachine. 4) Système de propulsion selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel lesdits moyens d'échange comprennent une conduite (24) qui amène au moins une partie du comburant comprimé dans la turbomachine vers l'admission de compression dudit turbocompresseur. 5) Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la turbomachine comporte au moins une turbine libre. 6) Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les arbres moteurs (10, 11 ; 17) de la turbomachine et du moteur à combustion interne sont solidaires mécaniquement d'un arbre de propulsion (20), par l'intermédiaire d'embrayage et/ou de boite de vitesse (18, 19). 7) Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens d'échange comprennent une conduite de recirculation (27)d'au moins une partie des gaz d'échappement dudit moteur à combustion interne dans la chambre de combustion (7') de ladite turbomachine. 8) Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit moteur à combustion interne est un moteur à pistons suralimenté.