Brevet FR3032233A1 — publié le 20160805

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne l'alimentation d'un groupe moteur en carburant, et en particulier celle d'un groupe moteur comprenant un 5 moteur thermique à turbine et une machine électrique. On entend par « moteur thermique à turbine », dans le présent contexte, toute machine permettant la conversion de l'énergie thermique d'un fluide de travail en énergie mécanique par détente dudit fluide de 10 travail dans une turbine. Plus particulièrement, ce fluide de travail peut être un gaz de combustion résultant de la réaction chimique d'un carburant avec de l'air dans une chambre de combustion, après la compression de cet air dans un compresseur actionné par la turbine à travers un premier arbre rotatif. Ainsi, les moteurs thermiques à turbine, 15 telles que compris dans le présent contexte, comprennent les turboréacteurs à flux simple ou double, les turbopropulseurs, les turbomoteurs ou les turbines à gaz, entre autres. Dans la description qui suit, les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide de travail dans la turbomachine. 20 Le carburant alimentant des moteurs thermiques à turbine peut comprendre des impuretés, et notamment de l'eau en suspension. A des températures normales la présence de traces d'eau dans le carburant n'est pas très problématique. Toutefois, quand les températures sont basses, 25 cette eau peut geler. Les particules de glace résultantes peuvent éventuellement bloquer le passage du carburant, notamment en s'agglomérant à l'entrée des filtres typiquement utilisés pour empêcher le passage d'autres impuretés solides. En conséquence, il convient d'éviter ce givrage dans le circuit de carburant. 30 Une solution connue de la personne du métier pour ce problème est l'utilisation d'additifs antigivre. Toutefois, ceux-ci sont coûteux et toxiques, et leur utilisation très contraignante. Une autre solution est celle de contourner temporairement les parties du circuit d'alimentation pouvant 35 être bloquées par le givre, et notamment le filtre de carburant, mais cette solution peut poser d'autres inconvénients par rapport à la sécurité de fonctionnement du moteur thermique à turbine. Finalement, encore une autre solution est celle de chauffer de manière active ou passive le carburant. Toutefois, en particulier avant l'allumage du moteur thermique, il est difficile de trouver une source de chaleur appropriée pour ce réchauffement. Bien qu'il ait été proposé de chauffer le carburant dans un échangeur de chaleur lubrifiant/carburant permettant de transférer de la chaleur d'un lubrifiant du moteur thermique à son carburant, cette solution présente les inconvénients d'une température initialement insuffisante du lubrifiant pour chauffer le carburant rapidement, pouvant imposer une longue phase initiale de fonctionnement du moteur thermique au ralenti , et de l'intégration de cet échangeur de chaleur parmi les éléments auxiliaires du groupe moteur. Objet et résumé de l'invention La présente divulgation vise à remédier à ces inconvénients en proposant un groupe moteur comprenant au moins un moteur thermique à turbine avec un circuit d'alimentation en carburant qui permette d'éviter le givrage, même à très basses températures avant l'allumage du moteur thermique et sans avoir recours à des additifs, à des contournements transitoires d'éléments du circuit et/ou à des éléments chauffants dédiés. Ce but est atteint grâce au fait que le groupe moteur comprend aussi au moins une machine électrique couplée mécaniquement à un arbre tournant dudit moteur thermique, avec un module d'électronique de puissance, et dans lequel le circuit d'alimentation en carburant comprend un échangeur de chaleur adjacent audit module d'électronique de puissance pour transmettre au carburant de la chaleur émise par le module d'électronique de puissance. Grâce à ces dispositions, la chaleur résiduelle émise par le module électronique de puissance peut être exploitée pour réchauffer le carburant dans son circuit d'alimentation et ainsi éviter le givrage. En particulier, ladite machine électrique peut être un moteur électrique pour actionner ledit arbre tournant, connecté au module d'électronique de puissance pour son alimentation électrique. Ainsi, cette machine électrique peut servir au démarrage du moteur thermique avant son allumage, ou à son maintien en rotation de son arbre rotatif avec la chambre de combustion éteinte, et la chaleur générée par son alimentation électrique réchauffer le carburant avant son alimentation et allumage. Par ailleurs, la machine électrique peut aussi être un moteur-générateur électrique, également apte à être actionné par ledit arbre tournant pour générer de l'électricité transmise à travers le module d'électronique de puissance, pour alimenter d'autres consommateurs électriques et/ou être stockée pour alimenter ultérieurement ce même moteur-générateur en mode moteur. Pour ce stockage, le groupe moteur peut aussi comprendre en outre un dispositif de stockage d'énergie électrique connecté à la machine électrique à travers ledit module d'électronique de puissance. Afin aussi que la machine électrique puisse servir au démarrage du moteur thermique, l'arbre tournant du moteur thermique auquel la machine électrique est couplée peut relier au moins une turbine et au moins un compresseur du moteur thermique à turbine. Le moteur thermique à turbine peut être, par exemple, un turbomoteur tel que ceux équipant des aéronefs à voilure tournante. Toutefois, il peut aussi être d'un autre type, comme par exemple un turbopropulseur ou un turboréacteur à simple ou double flux. Par ailleurs, le groupe moteur peut comprendre une pluralité de moteurs thermiques à turbine et/ou une pluralité de machines électriques. La présente invention concerne aussi un aéronef, et notamment un aéronef à voilure tournante, équipé d'un tel groupe moteur, ainsi qu'un procédé de réchauffement de carburant pour l'alimentation d'un moteur thermique à turbine, dans lequel le carburant est chauffé, dans un échangeur de chaleur d'une ligne d'alimentation en carburant du moteur thermique à turbine, par de la chaleur émise par un module d'électronique de puissance, adjacent audit échangeur de chaleur, d'une machine électrique couplée mécaniquement à un arbre tournant dudit moteur thermique. La machine électrique peut être un moteur électrique actionnant l'arbre tournant du moteur thermique et alimenté électriquement à travers le module d'électronique de puissance, notamment pendant qu'une chambre de combustion du moteur thermique est éteinte. Le rendement électrique d'un module d'électronique de puissance est 5 normalement assez élevé. En conséquence, dans certaines circonstances, la chaleur résiduelle générée par le module d'électronique de puissance peut être insuffisant pour le réchauffement souhaité du carburant. Afin de résoudre ce problème, le module d'électronique de puissance peut avoir un mode de fonctionnement normal et un mode de fonctionnement à 10 rendement électrique dégradé qui est mis en oeuvre pour générer un supplément de chaleur pour le réchauffement du carburant. Brève description des dessins 15 L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un aéronef avec un groupe 20 moteur comportant deux turbomoteurs et deux moteurs- générateurs électriques ; - la figure 2 illustre plus spécifiquement ce groupe moteur ; et - la figure 3 illustre schématiquement un module d'électronique de puissance et un échangeur de chaleur de ce groupe moteur. 25 Description détaillée de l'invention La première figure illustre un aéronef 1 à voilure tournante, plus spécifiquement un hélicoptère avec un rotor principal 2 et un rotor de 30 queue anti-couple 3 couplés à un groupe moteur 4 pour leur actionnement. Le groupe moteur 4 illustré comprend un premier moteur thermique 5a et une deuxième moteur thermique 5b. Ces moteurs thermiques 5a, 5b sont des moteurs thermiques à turbine et plus spécifiquement des turbomoteurs dont les arbres de prise de puissance 6 35 sont tous les deux reliés à une boîte de transmission principale 7 pour actionner le rotor principal 2 et le rotor de queue 3. Le groupe moteur 4 est illustré en plus grand détail sur la figure 2. Chaque moteur thermique 5a,5b comprend un compresseur 8, une chambre de combustion 9, une première turbine 10 reliée par un arbre rotatif 11 au compresseur 8 et une deuxième turbine 12, ou turbine libre, couplée à l'arbre de prise de puissance 6. L'ensemble du compresseur 8, chambre de combustion 9, première turbine 10 et arbre rotatif 11 est aussi connu sous le nom de « générateur de gaz ». L'arbre rotatif 11 de chaque générateur de gaz est mécaniquement couplé à une machine électrique 13a,13b plus spécifiquement un moteur-générateur, connectée électriquement à un module d'électronique de puissance 14a,14b, qui est plus spécifiquement un convertisseur de puissance connecté aussi électriquement à un dispositif de stockage électrique 20 et à un réseau électrique de l'aéronef 1. Ce dispositif de stockage électrique 20 peut par exemple être une batterie, quoique d'autres dispositifs de stockage électrique (p.ex. des piles à combustible ou des volants d'inertie) soient également envisageables. Les machines électriques 13a,13b servent tant au démarrage des moteurs thermiques 5a, 5b correspondants qu'à la génération d'électricité après ce démarrage. Dans le premier cas, la machine électrique 13a,13b fonctionne en mode moteur, et le module d'électronique de puissance 14a,14b assure son alimentation électrique à partir du réseau électrique de l'aéronef et/ou du dispositif de stockage électrique 20. Dans le deuxième cas, la machine électrique 13a,13b fonctionne en mode générateur, et le module d'électronique de puissance 14a,14b adapte le courant généré à un voltage et ampérage appropriés pour l'alimentation du réseau électrique de l'aéronef et/ou du dispositif de stockage électrique 20. En outre, toutefois, chaque machine électrique 13a,13b peut également servir à maintenir le moteur thermique 5a, 5b correspondant en mode de veille, même pendant le vol de l'aéronef 1, en faisant tourner son arbre rotatif 11, avec la chambre de combustion 9 éteinte, à une vitesse réduite Nveille, qui peut être, par exemple, entre 5 et 20% d'un régime nominal N1 de l'arbre rotatif 11. En effet, il est connu que le maintien d'un moteur thermique à turbine en mode de veille sur un aéronef multimoteur permet d'économiser du carburant en vol de croisière et d'accélérer son éventuel redémarrage. La puissance fournie par le groupe moteur 4 peut varier sensiblement suivant l'étape de vol de l'aéronef 1. Ainsi, la puissance requise pour le régime de croisière est normalement sensiblement inférieure à la puissance maximale continue du groupe moteur 4, et encore moindre par rapport à sa puissance maximale de décollage. Or, le groupe moteur 4 étant dimensionné en fonction de cette dernière, il est sensiblement surdimensionné par rapport à la puissance requise pour le régime de croisière. En conséquence, en croisière, avec les deux moteurs thermiques 5a, 5b en fonctionnement, ils pourraient se retrouver éloignés de leur régime optimal de fonctionnement, ce qui se traduirait par une consommation spécifique relativement élevée. En principe, avec un groupe moteur comprenant une pluralité de moteurs thermiques, il est envisageable de maintenir le régime de croisière avec au moins un de ces moteurs thermiques éteint. Avec les autres moteurs thermiques fonctionnant à un régime alors plus proche de leur régime optimal, la consommation spécifique peut être réduite. Afin de permettre un tel mode de fonctionnement d'un groupe moteur, tout en assurant le démarrage immédiat du moteur thermique éteint, il a été proposé dans FR 2 967 132 de maintenir ce moteur thermique éteint en mode de veille. Dans le groupe moteur 4 illustré sur la figure 2, le premier moteur thermique 5a est donc éteint pendant le régime de croisière de l'aéronef 1, tandis que le deuxième moteur thermique 5b fournit toute la puissance au rotor principal 2 et au rotor de queue 3 à travers la boîte de transmission principale 7. La machine électrique 13b associé au deuxième moteur thermique 5b assure simultanément l'alimentation du réseau électrique de l'aéronef 1 à travers son module d'électronique de puissance 14b et l'alimentation de la machine électrique 13a à travers son électronique 14a. Afin de pouvoir assurer le démarrage d'urgence du premier moteur thermique 5a, notamment en cas de défaillance du deuxième moteur thermique 5b, le premier moteur thermique 5a est maintenu en mode de veille par actionnennent de son arbre rotatif 11 par la machine électrique 13a correspondante, alimentée à travers son module d'électronique de puissance 14a. Pour alimenter les moteurs thermiques 5a,5b en carburant, chacun est associé à un circuit d'alimentation en carburant 15a,15b, avec un échangeur de chaleur 16a,16b et un filtre de carburant 17a,17b situé en aval de l'échangeur de chaleur 16a,16b suivant le sens de l'écoulement du carburant vers le moteur thermique 5a,5b. Comme illustré sur la figure 3, chaque échangeur de chaleur 16a,16b est adjacent à une plaque froide 21 formant une base du module d'électronique de puissance 14a,14b correspondant, dans un boitier 22, pouvant être étanche et commun au module d'électronique de puissance 14a,14b et à l'échangeur de chaleur 16a,16b correspondant, de manière à ce que le carburant circulant par l'échangeur de chaleur 16a ou 16b puisse être chauffé par de la chaleur générée par le fonctionnement du module d'électronique de puissance 14a,14b, et simultanément contribuer au refroidissement du module d'électronique de puissance 14a,14b pour lui permettre de fonctionner dans une plage de température optimale. Typiquement, chaque module d'électronique de puissance 14a, 14b peut traiter une puissance Pe de l'ordre de 100 kW, avec des pertes thermiques de moins de 10 9/0, résultant ainsi en une puissance calorique Ph de, par exemple, moins de 10 kW, voire moins de 1 kW. Toutefois, chaque module d'électronique de puissance 14a,14b peut avoir un mode de fonctionnement normal et un mode de fonctionnement à rendement électrique dégradé pouvant être mis en oeuvre pour générer un supplément de chaleur pour le réchauffement du carburant. Ce mode de fonctionnement à rendement dégradé peut être obtenu par exemple en imposant à des semiconducteurs du module d'électronique de puissance 14a,14b une fréquence de découpe plus élevée que celle qui serait normalement appliquée en fonction des critères de dimensionnement électriques usuels. Chaque circuit d'alimentation en carburant 15a,15b peut également comprendre un conduit de contournement 18a, 18b de l'échangeur de chaleur 16a,16b, ainsi qu'une vanne à trois voies 19a,19b pour commander l'écoulement du carburant par l'échangeur de chaleur 16a, 16b ou par le conduit de contournement 18a,18b. Pour réchauffer le carburant alimentant un des moteurs thermiques 5a,5b pendant un démarrage de celui-ci à basse température avant d'allumer la chambre de combustion 9, celui-ci est dirigé à travers l'échangeur de chaleur 16a,16b correspondant, dans lequel il est chauffé 5 grâce à la chaleur générée par le fonctionnement du module d'électronique de puissance 14a,14b à travers lequel la machine électrique 13a,13b est alimentée électriquement pour faire tourner l'arbre rotatif 11 de ce moteur thermique 5a,5b. Si la chaleur générée par le module d'électronique de puissance 14a,14b en mode de fonctionnement normal 10 est insuffisante pour permettre un démarrage rapide sans risque de colmatage du filtre de carburant 17a,17b par des particules de glace d'eau, un mode de fonctionnement à rendement électrique dégradé du module d'électronique de puissance 14a,14b peut être mise en oeuvre pour augmenter la génération de chaleur dans ce module, et sa 15 transmission, à travers l'échangeur de chaleur 16a,16b, vers le carburant. Par contre, s'il n'est pas nécessaire de chauffer le carburant pour l'un ou l'autre des moteurs thermiques 5a,5b, ou de refroidir le module d'électronique de puissance 14a,14b associé, la vanne à trois voies 20 19a,19b peut diriger le carburant à travers le conduit de contournement 18a, 18b correspondant. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes 25 modifications et changements peuvent être effectués sur cet exemple sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, l'invention est également applicable sur un groupe moteur comprenant un seul ou plus de deux moteurs thermiques, ou bien dans lequel le ou les machines électriques sont uniquement 30 motrices ou génératrices. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. REVENDICATIONS1. Groupe moteur (4) comprenant : un moteur thermique à turbine (5a,5b) avec un circuit d'alimentation en carburant (15a,15b) ; et une machine électrique (13a,13b) couplée mécaniquement à un arbre tournant (11) dudit moteur thermique (5a,5b), avec un module d'électronique de puissance (14a,14b) ; dans lequel le circuit d'alimentation en carburant (15a,15b) comprend un 10 échangeur de chaleur (16a,16b) adjacent audit module d'électronique de puissance (14a,14b) pour transmettre au carburant de la chaleur émise par le module d'électronique de puissance (14a,14b). 2. Groupe moteur (4) suivant la revendication 1, dans lequel ladite 15 machine électrique (13a,13b) est un moteur électrique pour actionner ledit arbre tournant (11), connecté au module d'électronique de puissance (14a,14b) pour son alimentation électrique. 3. Groupe moteur (4) suivant la revendication 2, dans lequel ladite 20 machine électrique (13a,13b) est un moteur-générateur électrique, également apte à être actionné par ledit arbre tournant (11) pour générer de l'électricité transmise à travers le module d'électronique de puissance (14a,14b). 25 4. Groupe moteur (4) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit moteur thermique à turbine (5a,5b) est un turbomoteur. 5. Groupe moteur (4) suivant l'une quelconque des revendications 30 précédentes, dans lequel ledit arbre tournant (11) du moteur thermique (5a,5b) auquel la machine électrique (13a,13b) est couplée relie au moins une turbine (10) et au moins un compresseur (8) du moteur thermique à turbine (5a,5b). 35 6. Groupe moteur (4) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif de stockage d'énergieélectrique (20) connecté à la machine électrique (13a,13b) à travers ledit module d'électronique de puissance (14a,14b). 7. Aéronef (1) équipé d'un groupe moteur (4) suivant l'une 5 quelconque des revendications 1 à 6. 8. Procédé de réchauffement de carburant pour l'alimentation d'un moteur thermique à turbine (5a,5b), dans lequel le carburant est chauffé, dans un échangeur de chaleur (16a,16b) d'une circuit d'alimentation en 10 carburant (15a,15b) du moteur thermique à turbine (5a,5b), par de la chaleur émise par un module d'électronique de puissance (14a,14b), adjacent audit échangeur de chaleur (16a,16b), ledit module d'électronique de puissance (14a,14b) étant connecté à une machine électrique (13a,13b) couplée mécaniquement à un arbre tournant (11) 15 dudit moteur thermique (5a,5b). 9. Procédé de réchauffement de carburant suivant la revendication 8, dans lequel la machine électrique (13a,13b) est un moteur électrique actionnant l'arbre tournant (11) du moteur thermique (5a,5b) et alimenté 20 électriquement à travers le module d'électronique de puissance (14a,14b). 10. Procédé de réchauffement de carburant suivant la revendication 9, dans lequel la machine électrique (13a,13b) actionne l'arbre tournant du moteur thermique (5a,5b) pendant qu'une chambre de combustion (9) 25 du moteur thermique (5a,5b) est éteinte. 11. Procédé de réchauffement de carburant suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le module d'électronique de puissance (14a,14b) a un mode de fonctionnement 30 normal et un mode de fonctionnement à rendement électrique dégradé qui est mis en oeuvre pour générer un supplément de chaleur pour le réchauffement du carburant.