Brevet FR3039516A1 — publié le 20170203

La présente invention se rapporte à un procédé de gestion de la puissance d'un système de propulsion, en particulier dans le secteur aéronautique, et plus particulièrement d'un système de propulsion associant deux machines motrices, telles qu'une turbomachine, qui est une machine de conversion d'énergie à flux continu, et un moteur à combustion interne, qui est une machine de conversion d'énergie à flux discontinu. Comme cela est mieux décrit dans le document US 2011/108663, une turbomachine permet de disposer d'une densité de puissance très élevée pour le système de propulsion qui le rend très compétitif sur les aéronefs et d'une grande simplicité mécanique. Cependant, un des principaux inconvénients de cette turbomachine est la consommation spécifique élevée en carburant particulièrement à faible puissance. 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. Cependant, il est limité du point de vue de la puissance spécifique (en kilowatt par kilogramme - kW/kg) qui reste environ quatre fois plus faible que celle d'une turbomachine. La présente invention se propose de remédier à cet inconvénient en associant de manière optimisée la turbomachine et le moteur à combustion interne afin de limiter la consommation globale en carburant du système de propulsion en 25 fonction de la puissance demandée. A cet effet, l'invention concerne un procédé de gestion de la puissance d'un système de propulsion, en particulier dans le secteur aéronautique, comprenant une machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu et une machine 30 motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu couplées mécaniquement entre elles, lesdites machines produisant des puissances équivalentes à appliquer sur l'arbre de propulsion dudit système, caractérisé en ce qu'on transmet tout ou partie de la puissance générée par l'une et/ou l'autre des machines motrices en fonction de la puissance demandée sur l'arbre de propulsion. 3039516 2 Pour une puissance demandée sur l'arbre de propulsion supérieure à la puissance de l'une ou l'autre des machines, la machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu peut être utilisée en premier lieu pour qu'elle transmette à 5 l'arbre de propulsion sa puissance maximale, puis le complément de puissance peut être fourni à l'aide de la machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu jusqu'à obtenir la puissance demandée sur l'arbre de propulsion. Pour une puissance demandée sur l'arbre de propulsion légèrement 10 inférieure à la puissance de l'une ou l'autre des machines, la machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu peut être est utilisée pour qu'elle transmette à l'arbre de propulsion une très grande partie de sa puissance jusqu'à la puissance demandée. 15 Dès que la machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu est utilisée, la machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu peut être activée et peut se substituer à la machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu dès qu'elle a atteint la puissance de cette machine. 20 La puissance légèrement inférieure demandée sur l'arbre de propulsion peut être supérieure à 80% et inférieure à 100% à la puissance de l'une ou l'autre des machines. Pour une puissance demandée sur l'arbre de propulsion inférieure d'environ 80% à la puissance de l'une ou l'autre des machines, la machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu peut fournir tout ou partie de sa puissance à l'arbre de propulsion. Pendant le fonctionnement de l'une des machines, l'autre des machines peut fonctionner au ralenti. Pendant le fonctionnement de l'une des machines, l'autre des machines peut être à l'arrêt. 3039516 3 On peut utiliser la machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu pour le fonctionnement au ralenti du système. Les arbres moteurs des machines peuvent être solidaires mécaniquement de 5 l'arbre de propulsion par l'intermédiaire de moyens d'accouplement et on peut contrôler l'un et/ou l'autre des moyens d'accouplement en fonction de la puissance demandée à l'arbre de propulsion. On peut utiliser une turbomachine en tant que machine motrice avec 10 conversion d'énergie à flux continu. On peut utiliser un moteur à combustion interne en tant que machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu. 15 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle est annexée la figure unique qui montre un système de propulsion utilisant le procédé selon l'invention. 20 La figure unique illustre de manière schématique un système de propulsion avec l'association de deux machines motrices : une turbomachine 10, qui est une machine de conversion d'énergie à flux continu, et un moteur thermique 12, comme un moteur à combustion interne, avantageusement un moteur à combustion interne suralimenté, qui est une machine de conversion d'énergie à 25 flux discontinu. La turbomachine comprend un étage de compression 14 qui alimente en air comprimé une chambre de combustion 16 dont les gaz d'échappement traversent un étage de détente 18. 30 L'étage de compression comprend au moins un compresseur 20, ici deux, d'un comburant, comme de l'air extérieur (flèche AE), dont l'air comprimé est envoyé dans la chambre de combustion 16 où se produit une combustion avec l'aide d'un combustible, comme du kérosène introduit dans cette chambre. Les gaz brûlés issus de cette chambre traversent l'étage de détente 18 qui comprend 3039516 4 au moins une turbine de détente 22, ici deux, et sont ensuite être évacués (flèche G) vers l'extérieur. L'énergie thermique ainsi récupérée des gaz d'échappement sur les turbines 5 est convertie en énergie mécanique avec une puissance maximale Ptm sur l'arbre de sortie 24 de la turbomachine. Cette énergie pourra ensuite être transmise à l'arbre de propulsion de 26 de l'aéronef pour assurer son déplacement, par une hélice de propulsion par exemple. 10 Le moteur à combustion interne 12 comprend, de manière connue en soi, au moins un cylindre 28, ici quatre cylindres, à l'intérieur desquels se produit la combustion d'un mélange d'un comburant, comme de l'air suralimenté, et un combustible, ici à titre d'exemple du kérosène. Ce moteur comprend une ligne d'admission d'air suralimenté 30 vers les cylindres et une ligne de sortie de gaz 15 d'échappement 32 provenant de la combustion du mélange carburé dans les cylindres. Ce moteur est raccordé à des moyens de suralimentation 33, qui sont, dans le cas de la figure, un turbocompresseur. 20 Le turbocompresseur comprend au moins un compresseur 34 et au moins une turbine 36 reliés entre eux par un arbre mécanique 38. Les gaz d'échappement provenant de la ligne d'échappement 32 traversent la turbine 36 en y effectuant une détente pour être ensuite évacués vers l'extérieur (flèche G'). Cette détente permet à la turbine de récupérer de l'énergie pour 25 actionner mécaniquement le compresseur auquel elle est reliée par l'arbre 38. Le compresseur ainsi entraîné comprime un comburant, comme de l'air extérieur (flèche AE') et génère un débit d'air à pression élevée qui est introduit la chambre de combustion des cylindres par la ligne d'admission 30 avec une augmentation de la pression d'admission et de la quantité d'air ingérée par le 30 moteur. L'énergie générée par la combustion dans les cylindres du moteur produit une puissance maximale Pm à l'arbre de sortie du moteur 40, ici le vilebrequin, qui peut être également transmise à l'arbre de propulsion de 26 de l'aéronef. 3039516 5 Comme cela est généralement admis, et afin de garantir la conservation de la moitié de la puissance totale du système de propulsion en cas d'avarie sur une des machines de conversions d'énergie, la puissance maximale Pm produite au 5 vilebrequin 40 du moteur est sensiblement équivalente à celle (Ptm) produite à l'arbre de sortie 24 de la turbomachine. Dans ce cas, pour pouvoir obtenir une telle puissance, il peut être estimé que la masse du moteur à combustion interne est quatre fois supérieure à la masse de la turbomachine. 10 Les arbres de sortie 24 et 40 de la turbomachine et du moteur comportent des moyens d'accouplement à commande contrôlée, respectivement 42 et 44, avec l'arbre de propulsion 26 ainsi que des moyens mécaniques (non représentés), comme des boites de réduction/multiplication, pour distribuer la 15 puissance produite par les machines à cet arbre de propulsion. Pour le fonctionnement du système de propulsion, il est prévu d'utiliser tout ou partie de la puissance potentiellement générable par l'une et/ou l'autre des machines motrices (turbomachine 10 et/ou le moteur à combustion interne 12) en 20 fonction de la puissance demandée P sur l'arbre de propulsion 26. La consommation spécifique du moteur à combustion interne 12 étant par conception inférieure à la consommation spécifique de la turbomachine 10, l'utilisation du moteur à combustion interne est à privilégier par rapport à 25 l'utilisation de la turbomachine. Cependant, si la turbomachine doit être activée et comme sa consommation spécifique est minimale à forte puissance, il faut privilégier une utilisation près de ce point de fonctionnement, le complément de puissance étant fourni par le moteur à combustion interne. 30 Ainsi, dans le cas où la demande de puissance P est supérieure à la puissance Ptm de la turbomachine ou à la puissance Pm du moteur à combustion interne, la turbomachine est utilisée en priorité jusqu'à l'application sur l'arbre de propulsion 26 de sa puissance maximale Ptm (point de fonctionnement de 3039516 6 consommation spécifique minimale de la turbomachine) puis le complément de puissance est fourni à l'aide du moteur à combustion interne pour arriver à la puissance demandée P. 5 Avantageusement, pendant le fonctionnement de la turbomachine jusqu'à la production de la puissance Ptm, le moteur est arrêté ou, par défaut, fonctionne au ralenti sur un point de fonctionnement à faible consommation horaire. Ce mode de fonctionnement permet de faire fonctionner la turbomachine sur 10 un point de faible consommation et d'obtenir ainsi une consommation réduite de carburant sur l'ensemble de la plage de fonctionnement tout en assurant un fonctionnement lissé de la turbomachine, les fluctuations de puissance étant réalisées par le moteur à combustion interne, reconnu pour ses capacités de fonctionnement en transitoire, ce qui permet d'optimiser la réactivité du système. 15 Cette stratégie permet donc également de garantir un fonctionnement fiable et durable du système. Dans le cas où la demande de puissance P à l'arbre de propulsion 26 est 20 légèrement inférieure à la puissance Pm du moteur à combustion interne ou à la puissance Pm du moteur à combustion interne (compris entre 80% et approximativement 100%), la turbomachine est utilisée en premier lieu pour qu'elle transmette à l'arbre de propulsion une très grande partie de sa puissance. Simultanément, le moteur est activé (dans le cas où il est à l'arrêt) et dès qu'il 25 a atteint la puissance de la turbomachine, cette dernière est désactivée et le moteur transmet sa puissance à l'arbre jusqu'à la puissance demandée. Dans le cas d'une de demande de puissance P à l'arbre de propulsion 26 inférieure à environ 80% de la puissance Ptm de la turbomachine ou de la 30 puissance Pm du moteur à combustion interne, le moteur thermique fournit tout ou partie de sa puissance à l'arbre de propulsion. 3039516 7 Egalement, pendant le fonctionnement du moteur jusqu'à la puissance Pm, la turbomachine est arrêtée ou fonctionne au ralenti sur un point de fonctionnement à faible consommation horaire. 5 Bien entendu, ce mode couvre le fonctionnement au ralenti du système de propulsion avec la seule utilisation du moteur à combustion interne. Ainsi, dans les modes de fonctionnement, il est d'abord privilégié le fonctionnement qui active, soit le moteur à combustion interne, soit la 10 turbomachine, en privilégiant toujours le fonctionnement du moteur à combustion interne du fait de sa faible consommation spécifique. Dans le cas d'une utilisation simultanée des deux machines pour des puissances élevées, il est à privilégier une utilisation de la turbomachine au plus près son point de consommation spécifique minimum (généralement près du point de puissance maximum) et de 15 compléter le besoin de puissance par le moteur à combustion interne. Ce mode de fonctionnement permet d'obtenir une faible consommation spécifique globale tout en assurant une réactivité maximale et une bonne durée de vie du fait d'un fonctionnement très stabilisé de la turbomachine. 20 Bien entendu, il est à la portée de l'homme du métier de prévoir tous moyens pour contrôler les moyens d'accouplement pour les rendre opérationnels en fonction de la puissance demandée. A titre d'exemple, l'accouplement 42 sera actif et l'accouplement 44 sera inactif dans le mode de fonctionnement où la demande de puissance P à l'arbre 25 de propulsion 26 est inférieure à la puissance Pm du moteur de façon à ce que seul le moteur thermique puisse fournir toute la puissance demandée. Les avantages obtenus sont les suivants : - une meilleure consommation spécifique et une meilleure réponse transitoire 30 par rapport à un système équivalent basé uniquement sur une turbomachine, - une plus forte densité de puissance par rapport à un système équivalent basé uniquement sur un moteur thermique, 3039516 8 - une augmentation potentielle de la durée de vie de la turbomachine dans le cas d'une utilisation très stabilisée avec gestion des fluctuations de puissance par le moteur à combustion interne - une mutualisation de certains composants de façon à réduire le poids et le 5 coût du système global, - une limitation de la production de polluants, en bénéficiant notamment des capacités de dépollution du moteur à combustion interne sur les points de puissance limitée (utilisation par exemple de gaz d'échappement recirculés ou de systèmes de post-traitement spécifiques) et des avantages des systèmes de 10 combustion à faibles émissions de polluants d'une turbomachine quand elle fonctionne à forte puissance (système de combustion à fonctionnement très pauvre permettant une réduction des émissions polluants). - une gestion adéquate de certains fonctionnements critiques des deux machines en utilisant les avantages de l'une pour compenser les défauts de 15 l'autre : fonctionnement en altitude optimisé grâce à la turbomachine, réduction des risques d'extinction de flamme sur la turbomachine à faible puissance en utilisant préférentiellement le moteur à combustion interne sur ces points de fonctionnement. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion de la puissance d'un système de propulsion, en particulier dans le secteur aéronautique, comprenant une machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu (10) et une machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu (12) couplées mécaniquement entre elles, lesdites machines produisant des puissances équivalentes (Pm, Ptm) à appliquer sur l'arbre de propulsion (26) dudit système, caractérisé en ce qu'on transmet tout ou partie de la puissance générée par l'une et/ou l'autre des machines motrices en fonction de la puissance demandée (P) sur l'arbre de propulsion (26). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une puissance demandée (P) sur l'arbre de propulsion supérieure à la puissance de l'une ou l'autre des machines, la machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu (10) est utilisée en premier lieu pour qu'elle transmette à l'arbre de propulsion (26) sa puissance maximale (Ptm), puis le complément de puissance est fourni à l'aide de la machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu (12) jusqu'à obtenir la puissance demandée sur l'arbre de propulsion. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour une puissance demandée (P) sur l'arbre de propulsion légèrement inférieure à la puissance de l'une ou l'autre des machines, la machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu (10) est utilisée pour qu'elle transmette à l'arbre de propulsion une très grande partie de sa puissance jusqu'à la puissance (P) demandée. 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, dès que la machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu (10) est utilisée, la machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu (12) est activée et se substitue à la machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu (10) dès qu'elle a atteint la puissance de cette machine. 303 95 16 10 5) Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que, la puissance légèrement inférieure demandée (P) sur l'arbre de propulsion est supérieure à 80% et inférieure à 100% à la puissance de l'une ou l'autre des machines. 5 6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une puissance demandée (P) sur l'arbre de propulsion inférieure d'environ 80% à la puissance de l'une ou l'autre des machines, la machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu (12) fournit tout ou partie de sa puissance à l'arbre de propulsion. 10 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pendant le fonctionnement de l'une des machines, l'autre des machines fonctionne au ralenti. 15 8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, pendant le fonctionnement de l'une des machines, l'autre des machines est à l'arrêt. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 20 qu'on utilise la machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu (12) pour le fonctionnement au ralenti du système. 10) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les arbres moteurs (24, 40) des machines sont solidaires mécaniquement de l'arbre 25 de propulsion (26) par l'intermédiaire de moyens d'accouplement (42, 44), caractérisé en ce qu'on contrôle l'un et/ou l'autre des moyens d'accouplement en fonction de la puissance demandée (P) à l'arbre de propulsion (26). 11) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 30 qu'on utilise une turbomachine (10) en tant que machine motrice avec conversion d'énergie à flux continu. 3039516 11 12) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise un moteur à combustion interne (12) en tant que machine motrice avec conversion d'énergie à flux discontinu.