Brevet FR3057608A1 — publié le 20180420

TURBINE A VOLUME VARIABLE ET SYSTEME DE CONVERSION D'ENERGIE THERMOMECANIQUE L'INCORPORANT [1] L'invention concerne une turbine spiro-orbitale, dite turbine scroll, à volume variable. L'invention concerne aussi un système de conversion d'énergie thermomécanique équipé d'une telle turbine scroll fonctionnant en mode expanseur, notamment pour la récupération de l'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moteur thermique d'un moyen de transport de toute nature, tel que terrestre, ferroviaire, maritime et aérien. [2] Dans un moyen de transport à moteur thermique, une grande partie de l'énergie du carburant est perdue sous forme de chaleur dissipée. Ainsi, dans un moteur thermique, l'énergie du carburant perdue sous forme de chaleur est de l'ordre de 53%. La chaleur perdue d'un moteur thermique peut partiellement être récupérée et convertie en énergie hydraulique, mécanique ou électrique grâce à l'utilisation du cycle thermodynamique de Rankine. [003] En référence à la Fig.1, il est connu un système de conversion d'énergie thermomécanique 1 permettant de récupérer la chaleur des gaz d'échappement EG d'un moteur thermique pour la convertir en énergie mécanique ME au moyen d'un expanseur scroll 2. Les gaz d'échappement EG sont utilisés comme source de chaleur pour transformer en vapeur un fluide de travail WA, tel que l'eau ou un fluide frigorigène, dans un évaporateur 3. Le fluide de travail WA, mis sous pression au moyen d'une pompe de fluide de travail 4, traverse l'évaporateur 3 pour être converti en vapeur à haute pression HPV en étant chauffé par les gaz d'échappement EG. La vapeur sous pression HPV est conduite dans l'expanseur scroll 2 et se détend en fournissant un travail. Ce travail est récupéré sous forme d'énergie mécanique ME par la rotation d'un arbre 20 couplé mécaniquement à une volute mobile (non représentée) de l'expanseur 2. La vapeur détendue sortant de l'expanseur scroll 2 peut être recirculée partiellement dans l'expanseur par un dispositif de recirculation 5 formé d'un séparateur fluide de travail vapeur 50 et d'une pompe 51. Cette recirculation n'est pas indispensable au fonctionnement du système, mais elle peut apporter une amélioration du rendement en complétant la détente de la vapeur qui fournit ainsi un supplément de travail. La vapeur détendue achève sa condensation sous forme de fluide de travail, tel que l'eau, dans un condenseur 6 équipé d'un moyen de refroidissement 60. Une sortie du condenseur 6 3057608 2 alimente en fluide de travail la pompe 4 pour la poursuite du cycle de conversion d'énergie. L'énergie mécanique ME disponible peut être utilisée directement, ou bien convertie en énergie électrique à l'aide d'une machine électrique tournante. [4] Lorsqu'un tel système de conversion d'énergie thermomécanique à expanseur 5 scroll est implanté dans un véhicule automobile, il est nécessaire que le volume utile de l'expanseur scroll puisse être modifié et ajusté à la situation de vie du véhicule. En effet, selon la situation de vie du véhicule, l'énergie thermique contenue dans les gaz d'échappement varie. L'expanseur scroll doit donc pouvoir travailler sur des points de fonctionnement optimaux différents afin d'obtenir un bon rendement de récupération 10 d'énergie, et éviter un phénomène connu de sous-expansion ou sur-expansion susceptible de dégrader le rendement du système. [5] Par le document FR2991403 de la technique antérieure, il est connu une turbine scroll à volume variable. Dans cette turbine, il est prévu un mécanisme d'actionnement hydraulique qui commande un déplacement de la volute mobile par rapport à une volute 15 fixe, et autorise ainsi un réglage du volume utile de la turbine. [6] La présente invention vise à apporter une turbine scroll à volume variable d'un type nouveau, offrant ainsi aux concepteurs une alternative à l'utilisation des turbines scroll à volume variable de la technique antérieure. [7] Selon un premier aspect, l'invention concerne une turbine de type scroll à volume 20 variable comprenant une volute fixe et une volute mobile ayant des parois spiroïdales imbriquées l'une dans l'autre, la volute mobile étant apte à accomplir un mouvement rotatif orbital relativement à un axe central de la volute fixe, et une chambre de fluide formée par un volume disponible entre les parois spiroïdales des volutes fixe et mobile. Conformément à l'invention, la turbine comprend un variateur de volume à actionnement 25 mécanique apte à modifier un volume utile de la chambre de fluide par un déplacement axial d'une semelle de réduction de volume de chambre qui est logée entre les parois spiroïdales des volutes fixe et mobile. [8] Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le variateur comporte au moins une tige montée coulissante dans un alésage correspondant d'un carter fixe de 30 la turbine et ayant une première extrémité fixée mécaniquement à la semelle et une deuxième extrémité, distante de la semelle, qui est couplée mécaniquement à des moyens d'actionnement en translation. 3057608 3 [009] Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, les moyens d'actionnement en translation comportent un plateau mobile en translation et une vis sans fin montée dans un orifice traversant taraudé du plateau mobile, la deuxième extrémité, distante de la semelle, étant couplée mécaniquement au plateau mobile qui est actionné 5 en translation par la rotation de la vis sans fin. [0010] Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, la rotation de la vis sans fin est commandée au moyen d'un actionneur rotatif bidirectionnel. [0011] Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, l'actionneur rotatif bidirectionnel est un moteur électrique. 10 [0012] Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, le variateur comporte quatre dites tiges montées coulissantes ayant des premières extrémités fixées mécaniquement à la semelle et des deuxièmes extrémités, distantes de la semelle, couplées mécaniquement aux moyens d'actionnement en translation. [0013] Selon un autre aspect, l'invention concerne un système de conversion d'énergie 15 thermomécanique apte à être installé dans un moyen de transport émettant des gaz d'échappement chauds, le système comprenant un circuit de fluide de travail opérant selon le cycle thermodynamique de Rankine, le circuit comprenant une première pompe de fluide de travail, un évaporateur recevant du fluide de travail sous pression fourni par la première pompe de fluide de travail et chauffé dans l'évaporateur par les gaz 20 d'échappement pour une transformation sous la forme d'une vapeur à haute pression, une turbine de type scroll, fonctionnant en expanseur, recevant la vapeur à haute pression fournie par l'évaporateur et convertissant un travail de la vapeur en une énergie mécanique disponible sur un arbre rotatif de la turbine, et un condenseur recevant une vapeur détendue fournie par la turbine et délivrant le fluide de travail (WA) fourni en entrée 25 à la première pompe de fluide de travail. Conformément à l'invention, la turbine est une turbine de type scroll selon l'invention telle que décrite brièvement ci-dessus. [0014] Selon une autre caractéristique particulière, le système comprend un dispositif de recirculation de vapeur associé à la turbine et comprenant un séparateur fluide de travail vapeur et une deuxième pompe. 30 [0015] L'invention concerne aussi un véhicule automobile équipé du système de conversion d'énergie thermomécanique décrit brièvement ci-dessus. 3057608 4 [0016] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de la turbine scroll selon l'invention, dans laquelle : la Fig.1 est un bloc-diagramme de principe montrant l'architecture d'un système 5 de conversion d'énergie thermomécanique pour la récupération de l'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moyen de transport ; - la Fig.2A est une vue en coupe simplifiée d'une turbine scroll à volume variable selon l'invention, dans un état de pleine capacité de puissance ; - la Fig.2B est une vue en coupe simplifiée d'une turbine scroll à volume variable 10 selon l'invention, dans un état de capacité réduite de puissance ; et la Fig.3 est une vue en perspective montrant un variateur de volume à actionnement mécanique inclus dans la turbine scroll à volume variable des Figs.2A et 2B. [0017] En référence aux Figs.2A, 2B et 3, il est maintenant décrit une forme de 15 réalisation particulière d'une turbine scroll 7 selon l'invention. On notera que la turbine 7 est représentée ici volontairement de manière partielle et simplifiée, en faisant essentiellement apparaître les composants fonctionnels de la turbine en relation avec l'invention, de façon à faciliter la compréhension de celle-ci. [0018] Comme montré aux Figs.2A et 2B, la turbine 7 comprend une volute fixe 7F et 20 une volute mobile 7M, des carters de volute 70F et 70M, une tuyère d'entrée/sortie de fluide 71 et un variateur de volume à actionnement mécanique 72. Le variateur de volume à actionnement mécanique 72 sera détaillé plus bas dans la description en référence également à la Fig.3. [0019] De manière classique, la volute fixe 7F et la volute mobile 7M sont des spirales 25 imbriquées l'une dans l'autre qui définissent une chambre de fluide 7V formée par un volume disponible entre les parois spiroïdales des volutes fixe 7F et mobile 7M. La chambre de fluide 7V est une chambre d'expansion ou de compression volumétrique de fluide selon que la turbine 7 fonctionne en expanseur ou en compresseur. [0020] Les vues en coupe des Figs.2A et 2B laissent apparaître les sections des parois 30 spiroïdales des volutes 7F et 7M. 3057608 5 [0021] La paroi spiroïdale de la volute 7F repose sur une face intérieure du carter de volute 70F avec qui elle forme une pièce monobloc dans cette forme de réalisation. Le carter de volute 70F comporte des orifices 700F pour sa fixation mécanique par vis à un support. 5 [0022] La paroi spiroïdale de la volute 7M repose sur une face intérieure du carter de volute 70M. Le carter de volute 70M est prévu pour autoriser un mouvement rotatif orbital de la volute mobile 7M autour d'un axe central AA de la volute fixe 7F, dans son état imbriqué avec la volute fixe 7F. [0023] Les sommets des parois des volutes 7F et 7M sont munis d'éléments d'étanchéité 10 71 F et 71M, respectivement. Ces éléments d'étanchéité 71 F et 71M sont en contact avec les faces intérieures correspondantes des carters 70M et 70F, respectivement, de manière à former la chambre 7V de manière hermétique, avec seulement deux entrées/sorties de fluide, l'une pour le fluide à haute pression et l'autre pour le fluide à basse pression. Une seule de ces entrées/sorties de fluide, à savoir la tuyère 71 est apparente aux Figs.2A et 15 2B. Dans un système de conversion d'énergie 1 comme montré à la Fig.1, la turbine 7 intégrée dans un tel système fonctionne en expanseur et la tuyère 71 constitue alors l'entrée de la vapeur à haute pression HPV. [0024] En référence également à la Fig.3, il est maintenant décrit en détail le variateur de volume à actionnement mécanique 72. 20 [0025] Dans cette forme de réalisation particulière, le variateur de volume 72 comporte essentiellement une semelle de réduction de volume de chambre 720, un plateau mobile en translation 721, quatre tiges coulissantes de liaison mécanique 721a à 721d, une vis sans fin 722 et un actionneur rotatif bidirectionnel 723. [0026] La semelle 720 a sensiblement une forme circulaire et comporte une découpe 25 spiroïdale 720a permettant une insertion dans celle-ci de la paroi de la volute fixe 7F, et des parties pleines 720b qui sont prévues pour s'ajuster dans des espaces de la chambre 7V entre les parois des volutes fixe 7F et mobile 7M, comme cela apparaît aux Figs.2A et 2B. [0027] La semelle 720 et le plateau 721, qui est également ici de forme circulaire, sont 30 liés mécaniquement par les quatre tiges 721a à 721d. La semelle 720 et le plateau 721 sont situés dans des plans parallèles, perpendiculaires à l'axe central AA. Les quatre tiges 3057608 6 721a à 721d sont parallèles à l'axe central AA et sont fixées en leurs extrémités au niveau de zones circonférentielles de la semelle 720 et du plateau 721. Ces zones circonférentielles sont ici disposées en rectangle. [0028] Le plateau 721 est percé en son centre, selon l'axe central AA, pour former un 5 orifice traversant taraudé dans lequel est montée la vis sans fin 722. La vis sans fin 722 est couplée mécaniquement, à son extrémité distante de la semelle 720, à l'actionneur rotatif 723 qui est prévu pour une fixation à un support. L'actionneur rotatif 723 est ici typiquement un moteur électrique actionnable dans les deux sens de rotation, horaire et antihoraire. 10 [0029] Comme cela apparaît aux Figs.2A et 2B, les tiges 721a à 721d sont montées coulissantes dans des alésages correspondants du carter fixe 70F, parallèles à l'axe AA. Seuls les alésages 701F, 702F, pour les tiges coulissantes de liaison mécanique 721a, 721b, sont visibles aux Figs.2A et 2B. [0030] Conformément à l'invention, la variation du volume utile de la chambre 7V de la 15 turbine scroll 7 est obtenue par le déplacement axial (distance d à la Fig.2B) de la semelle 720, selon l'axe AA. Ce déplacement est obtenu au moyen de la rotation de la vis sans fin 722 qui provoque une translation selon l'axe AA de l'ensemble formé du plateau 721, des tiges coulissantes de liaison mécanique 721a à 721d et de la semelle 720. La direction de translation de la semelle 720 est déterminée par le sens de rotation de la vis sans fin 722 20 mise en mouvement par l'actionneur rotatif 723. Comme montré aux Figs.2A et 2B, l'actionneur rotatif 723 est interfacée avec une liaison de communication COM, par exemple de type LIN ou CAN, autorisant la commande de celui-ci par une unité de commande électronique du véhicule et donc la commande du volume utile de la chambre 7V. 25 [0031] On notera que les tiges coulissantes de liaison mécanique ne sont pas nécessairement au nombre de quatre, s'agissant ici simplement d'un exemple de forme de réalisation. Dans des applications de faible puissance, une seule tige coulissante, de plus grand diamètre, disposée à proximité de la zone centrale (axe AA) pourrait s'avérer suffisante pour un fonctionnement correct de la semelle. 30 [0032] A la Fig.2A, la semelle 720 est montrée dans une position de retrait, plaquée en butée contre la face intérieure du carter 70F. Dans cette position, le volume utile de la 3057608 7 chambre 7V est à son maximum et la turbine 7 est alors configurée pour une pleine capacité de puissance. [0033] A la Fig.2B, la semelle 720 a été déplacée axialement de la distance d par rapport à la face intérieure du carter fixe 70F et réduit consécutivement le volume utile de la 5 chambre 7V. La turbine 7 est alors configurée pour une capacité réduite de puissance. En ajustant la distance d, il est ainsi possible de régler le volume de la turbine scroll 7 pour obtenir des points de fonctionnement optimaux. La turbine scroll 7 selon l'invention, en mode expanseur, autorise un bon rendement de récupération d'énergie dans le système de conversion d'énergie thermomécanique de la Fig.1. 10 [0034] Bien entendu, l'invention ne se limite aux formes de réalisation particulières de la turbine scroll selon l'invention décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS1. Turbine à volume variable comprenant une volute fixe (7F) et une volute mobile (7M) ayant des parois spiroïdales imbriquées l'une dans l'autre, la volute mobile (7M) étant apte à accomplir un mouvement rotatif orbital relativement à un axe central (AA) de ladite volute fixe (7F), et une chambre de fluide (7V) formée par un volume disponible entre lesdites parois spiroïdales desdites volutes fixe (7F) et mobile (7M), caractérisée en ce qu'elle comprend un variateur de volume à actionnement mécanique (72) apte à modifier un volume utile de ladite chambre de fluide (7V) par un déplacement axial (d) d'une semelle de réduction de volume de chambre (720) qui est logée entre lesdites parois spiroïdales desdites volutes fixe (7F) et mobile (7M). 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit variateur (72) comporte au moins une tige (721a à 721d) montée coulissante dans un alésage correspondant (701 F, 702F) d'un carter fixe (70F) de ladite turbine et ayant une première extrémité fixée mécaniquement à ladite semelle (720) et une deuxième extrémité, distante de ladite semelle (720), qui est couplée mécaniquement à des moyens d'actionnement en translation (721, 722, 723). 3. Turbine selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens d'actionnement en translation comportent un plateau mobile en translation (721) et une vis sans fin (722) montée dans un orifice traversant taraudé dudit plateau mobile (721), ladite deuxième extrémité, distante de ladite semelle (720), étant couplée mécaniquement audit plateau mobile (721) qui est actionné en translation par la rotation de ladite vis sans fin (722). 4. Turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce que la rotation de la vis sans fin (722) est commandée au moyen d'un actionneur rotatif bidirectionnel (723). 5. Turbine selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit actionneur rotatif bidirectionnel est un moteur électrique (723). 3057608 9 6. Turbine selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que ledit variateur comporte quatre dites tiges (721a à 721d) montées coulissantes ayant des premières extrémités fixées mécaniquement à ladite semelle (721) et des deuxièmes extrémités, distantes de ladite semelle (721), couplées 5 mécaniquement auxdits moyens d'actionnement en translation (721, 722, 723). 7. Système de conversion d'énergie thermomécanique apte à être installé dans un moyen de transport émettant des gaz d'échappement chauds, ledit système comprenant un circuit de fluide de travail opérant selon le cycle thermodynamique de Rankine, ledit circuit comprenant une première pompe de fluide de travail (4), 10 un évaporateur (3) recevant du fluide de travail sous pression (WA) fourni par ladite première pompe (4) et chauffé dans ledit évaporateur (3) par lesdits gaz d'échappement (EG) pour une transformation sous la forme d'une vapeur à haute pression (HPV), une turbine fonctionnant en expanseur, recevant ladite vapeur à haute pression (HPV) fournie par ledit évaporateur (3) et convertissant un travail de 15 ladite vapeur (HPV) en une énergie mécanique (ME) disponible sur un arbre rotatif (20) de ladite turbine, et un condenseur (20) recevant une vapeur détendue fournie par ladite turbine et délivrant ledit fluide de travail (WA) fourni en entrée à ladite première pompe de fluide de travail (4), caractérisé en ce que ladite turbine est une turbine (7) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 20 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit fluide de travail est de l'eau. 9. Système selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qui comprend un dispositif de recirculation de vapeur (5) associé à ladite turbine et comprenant un séparateur fluide de travail - vapeur (50) et une deuxième pompe (51). 25 10. Moyen de transport tel que véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un système de conversion d'énergie thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9.