Brevet FR3068077A1 — publié le 20181228

AGENCEMENT DE DEUX TURBOMOTEURS DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un agencement de deux turbomoteurs. On connaît certains turbomoteurs, dits « turbomoteurs récupérés », dont le rendement est accru par un échangeur de chaleur qui récupère une partie de l'énergie calorifique des gaz d'échappement. Dans une conception connue qu'on a représentée à la figure 6, l'échangeur de chaleur 16 est disposé dans la section froide de l'écoulement du turbomoteur en amont de la chambre de combustion 12, par exemple entre un compresseur haute pression 15 et cette chambre. Les gaz de la combustion circulent ensuite dans une section chaude comprenant des turbines 13 et une canalisation 55 à la sortie des turbines 13. Le flux de gaz comprimé reçoit de l'énergie des gaz d'échappement en faisant passer la canalisation 55 par l'échangeur de chaleur 16, et il subit donc un préchauffage avant d'arriver à la chambre de combustion 22. Il est toutefois nécessaire de détourner et d'allonger le trajet des gaz dans la canalisation 55 pour les faire passer devant la chambre de combustion 12 de la machine, ce qui impose une grande augmentation des pertes de charge et amoindrit l'élévation du rendement qu'on attendait pour le turbomoteur. Le même inconvénient de complication du trajet des gaz et d'accroissement de pertes de charge peut être reproché à des conceptions analogues à la précédente, où (figure 7) l'échangeur de chaleur 16 est à l'endroit de l'échappement, juste après les turbines 13, ou (figure 8) l'échangeur de chaleur 16 est placé à côté de la machine : dans la première de ces conceptions, l'air comprimé issu du compresseur haute pression 15 emprunte une canalisation 56 qui longe deux fois les turbines 13 et la chambre de combustion 12 pour atteindre l'échangeur de chaleur 16 avec le seul bénéfice d'éviter de modifier l'échappement de la turbomachine ; dans la seconde, on doit détourner à la fois les gaz comprimés, par une canalisation 56 analogue à celle de la figure 7, et les gaz d'échappement, par une canalisation 55 analogue à celle de la figure 6. On remarque que les canalisations 55 et 56 présentent aussi des coudes et des 2 changements de direction nombreux, responsables de pertes de charge tout comme leurs grandes longueurs. L'objet de l'invention est un agencement de turbomoteurs apte à mieux profiter de l'échange de chaleur caractérisant ces procédés à récupération de chaleur de 5 flux, en minimisant les allongements des canalisations de gaz nécessitées par l'échangeur de chaleur, les pertes de charge et les augmentations de masse et d'encombrement correspondants. En réduisant la longueur, la complexité et la masse des canalisations de gaz par rapport aux configurations classiques de turbomoteur récupéré comme celles des figures 6 à 8, plusieurs avantages peuvent être identifiés : une réduction du coût total de 10 développement, la réduction de la masse totale et de l'encombrement, une amélioration des performances par l'augmentation du rendement thermique du cycle. Sous une forme générale, l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend deux turbomoteurs dont chacun comprend une section froide comprenant un ou plusieurs compresseurs, axiaux ou centrifuges, mécaniquement liés ou pas, en amont 15 d'une chambre de combustion et une section chaude comprenant une ou plusieurs turbines, axiales ou centripètes, en aval de la chambre de combustion, caractérisé en ce que les turbomoteurs sont couplés par deux échangeurs de chaleur, un premier des échangeurs de chaleur mettant en relation d'échange thermique un flux d'air sortant de la section froide d'un premier des turbomoteurs et un flux des gaz sortant de la section 20 chaude d'un second des turbomoteurs, un second des échangeurs des chaleur mettant en relation d'échange thermique un flux des gaz sortant de la section chaude du premier des turbomoteurs et un flux d'air sortant de la section froide du second des turbomoteurs. Au lieu de provoquer l'échange de chaleur entre deux portions successives d'un même flux de gaz passant par un turbomoteur, cet échange a lieu entre 25 des turbomoteurs adjacents et entrelacés. Cette disposition implique des changements très réduits dans la constitution des turbomoteurs et donc des allongements de trajets des gaz et des pertes de charges réduits en conséquence. L'encombrement du système composé des deux turbomoteurs est réduit, les turbomoteurs couplés thermiquement l'un à l'autre étant aussi adjacents. Par rapport à des turbomoteurs sans récupération de chaleur, des gains de consommation de carburant de 18 % à 20 % par exemple, meilleurs 3 que ceux des dispositifs conformes aux figures 6 à 8 (14 % à 18 % avec des échangeurs de chaleur usuels) peuvent être espérés en pratique. La portion de section froide de chacun des turbomoteurs où l'échangeur de chaleur est implanté peut correspondre à une zone située en aval d'un dernier des 5 compresseurs - notamment un compresseur à haute pression - dans le sens de l'écoulement du fluide et adjacente à la chambre de combustion, et la portion correspondante de section chaude de chacun des turbomoteurs à un échappement en aval d'une dernière des turbines. Selon une possibilité importante, les turbomoteurs peuvent comprendre 10 chacun une turbine libre dans la section chaude, sans liaison mécanique avec la section froide, mais comprenant un arbre de prise de puissance débouchant à l'extérieur, qui permet d'extraire une puissance mécanique des gaz de combustion. Un tel agencement peut être exploité dans une configuration comprenant encore un arbre moteur relié à chacun des arbres de prise de puissance des 15 turbines libres par une transmission mécanique respective, et qui permet donc de regrouper les puissances obtenues par ces turbines libres. Deux applications importantes envisagées pour l'invention sont la propulsion d'hélicoptères et la turbogénération d'électricité. Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention 20 seront maintenant mieux mis en évidence par la description détaillée de certains de ses modes de réalisation, non exclusifs d'autres, au moyen des figures suivantes : - la figure 1 illustre schématiquement l'invention ; - la figure 2 représente une première réalisation possible de celle-ci ; - les figures 2A, 2B et 2C illustrent certaines variantes de réalisation 25 possibles ; - les figures 3, 4 et 5, une deuxième réalisation, respectivement en isolé, et en vues de dessus et de côté dans un hélicoptère ; - et les figures 6, 7 et 8 déjà décrites illustrent des réalisations connues de turbomoteurs à échangeur de chaleur intégré. 4 La figure 1 est une vue générale de l'invention. Elle représente deux turbomoteurs 10 et 20 dont chacun comprend une section froide 11 ou 21 en amont d'une chambre de combustion 12 ou 22, et une section chaude 13 ou 23 en aval de celle-ci. Les sections froides 11 et 21 comprennent classiquement des compresseurs (ici au 5 nombre de deux : un compresseur à basse pression 14 ou 24 et un compresseur à haute pression 15 ou 25), ainsi qu'un échangeur de chaleur 16 ou 26; et les sections chaudes 13 et 23 comprennent une turbine à haute pression 17 ou 27, et une turbine à basse pression 18 ou 28 en aval de la précédente. Les sections froides 11 et 21, les sections chaudes 13 et 23 et les chambres de combustion 12 et 22 forment ce qu'on appellera des 10 parties principales des turbomoteurs 10 et 20. Conformément à l'invention, les turbomoteurs 10 et 20 ont les parties principales rectilignes, placées côte à côte, parallèlement mais avec des flux de gaz en sens opposés, et avec un décalage axial faisant que la chambre de combustion 12 et/ou 22 de chacun d'eux s'étend à peu près devant la turbine à basse pression 28 ou 18 de 15 l'autre turbomoteur 20 ou 10. Il est alors possible de pourvoir les échappements, en aval des dernières turbines, de canalisations coudées 19 et 29 qui, croisant l'autre turbomoteur 20 ou 10, font passer les gaz chauds issus des turbines à basse pression 18 et 28 par l'échangeur de chaleur 26 ou 16 de l'autre turbomoteur 20 ou 10 et donc de leur faire céder une partie importante de leur chaleur aux flux froids arrivant à la chambre 20 de combustion 22 ou 12. Les canalisations 19 et 29 coudées sont courtes et, en imposant une seule modification de direction aux gaz grâce au coude unique, entraînent de faibles pertes de charge supplémentaires. Il est envisagé d'appliquer l'invention à une turbo-génération de puissance électrique. Le dispositif caractéristique de l'invention et décrit ci-dessus sera 25 alors utilisé dans le cas de véhicules comme des aéronefs ou des véhicules terrestres, concurremment à une motorisation classique effectuant la propulsion. Cette application est décrite à la figure 2. On doit cependant souligner que bien d'autres applications sont possibles pour l'invention - l'une d'elles sera décrite ensuite. Les turbomoteurs 10 et 20 déjà décrits sont alors utilisés pour entraîner 30 chacun un générateur électrique 30 ou 31 au moyen d'un dispositif comprenant une 5 turbine libre 32 ou 33 dans la canalisation coudée 19 ou 29, juste en aval de la turbine à basse pression 18 ou 28 et en amont de l'échangeur de chaleur 16 ou 26, et qui entraîne un arbre de prise de puissance 34 ou 35 qui aboutit au générateur électrique 30 ou 31. Les turbines libres 32 et 33, qui sont ici les dernières turbines de turbomoteurs 10 et 20, 5 sont appelées ainsi parce qu'elles sont dépourvues de liaison mécanique avec les autres parties des rotors des turbomoteurs : elles ne sont en particulier liées ni aux autres turbines, ni aux compresseurs. La plupart de l'énergie de pression des gaz est donc récupérée de cette façon. Comme on l'a mentionné, une partie importante de leur énergie calorifique est récupérée dans les échangeurs de chaleur 16 et 26 pour améliorer 10 le rendement des turbomoteurs 10 et 20. La figure 2A illustre une variante de réalisation où les arbres de prise de puissance ne sont pas dirigés en sens opposés à partir des turbines libres 32 ou 33 mais dans le même sens, l'un d'eux, référencé par 36 au lieu de 35, traversant le turbomoteur 20 auquel il est associé en s'étendant dans un jeu central 53 de celui-ci, qui traverse tout 15 son rotor ; les charges 30 et 31 peuvent alors être voisines. Une évolution de cette conception, donnée à la figure 2B, consisterait à remplacer les charges 30 et 31 par une charge 37 unique, raccordée aux deux arbres de prise de puissance 34 et 36 par une boîte d'engrenages 38 de manière à capter la puissance transmise par ces deux arbres à la fois. La figure 2C représente une variante où 20 les arbres de prise de puissance 34 et 35 sont ceux de la figure 2, mais sont tous deux raccordés à un arbre de sortie 39 unique d'une charge 37 unique par des engrenages droits 45 et 46, ou d'autres organes de transmission de puissance, espacés sur cet arbre de sortie 39. Une telle disposition à deux engrenages droits pourrait être adaptée pour la boîte de vitesses 38. 25 Ensuite, une autre réalisation de l'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures 3, 4 et 5. Le dispositif est ici appliqué à la sustentation et à la propulsion d'un hélicoptère 40. Les turbomoteurs 10 et 20 sont placés sous le plafond de l'appareil en entourant l'arbre 41 de l'hélice 42. Comme dans la figure 2, on retrouve des turbines libres 32 et 33 dans chacune des canalisations coudées 19 et 29 des 30 turbomoteurs 10 et 20, et des arbres de prise de puissance 34 et 35 finissant hors des 6 turbomoteurs 10 et 20 et par lesquels la puissance captée par les turbines libres 32 et 33 peut être recueillie. On y parvient au moyen de transmissions 43 et 44 comprenant chacune, à partir de l'arbre de prise de puissance 34 ou 35 respectif, un engrenage droit 45 ou 46, un arbre de transmission 47 ou 48 et un engrenage à angle droit 49 commun 5 aux deux transmissions 43 et 44 et relié rigidement à l'arbre d'hélice 41. Les arbres de prise de puissance 34 et 35 sont parallèles l'un à l'autre et les zones de transmission de puissance vers l'arbre d'hélice 41, aux engrenages droits 45 et 46, sont décalées l'une de l'autre, dans les deux directions horizontales de l'appareil (en direction horizontale et direction verticale à la figure 3) en laissant entre elles un intervalle qu'occupent les arbres 10 de transmission 47 et 48. Les roues dentées des engrenages droits 45 et 46 permettent de placer les arbres de transmission 47 et 48 à mi-distance des arbres de prise de puissance 34 et 35 et parallèles à eux, et l'engrenage à angle droit 49 comprend une roue 50 faisant tourner l'arbre d'hélice 41, et deux pignons dentés 51 et 52 solidaires des arbres de transmission 47 et 48 et engrenant avec la roue 50. Grâce à cette disposition, 15 l'arbre d'hélice s'étend entre les turbomoteurs 10 et 20 et notamment leurs parties principales, entre les canalisations coudées 19 et 29, et entre les axes des arbres de prise de puissance 34 et 35; et il s'étend encore dans une direction perpendiculaire à ces constituants, qui sont tous horizontaux. L'agencement est ainsi bien compact. Il peut être complètement symétrique, les arbres de transmission 47 et 48 étant en prolongement ; 20 ils tournent alors en sens de rotation opposés l'un à l'autre, de même que les arbres de prise de puissance 34 et 35 et les rotors des turbomoteurs 10 et 20; cela est compatible avec des turbomoteurs 10 et 20 semblables car ils sont orientés en sens opposés. La mise en route des turbomoteurs 10 et 20 fait tourner les turbines libres 32 et 33, et les arbres de transmission 47 et 48 pour que les transmissions 43 et 44 25 entraînent ensemble l'arbre d'hélice 41. En cas de défaillance d'un des deux turbomoteurs 10 et 20, le dispositif permet de maintenir la puissance nécessaire à l'hélicoptère, mais avec un rendement thermique inférieur au fonctionnement nominal. Dans une telle situation critique, l'économie du turbomoteur subsistant ne présente pas d'importance. 7 Un avantage qui est spécifique à cet agencement est la possibilité d'utiliser le turbomoteur défaillant même si le débit de carburant est coupé. En faisant référence à la figure 2, si on a un cas de panne sur le turbomoteur 20 et, que son débit de carburant est coupé, le turbomoteur 10 fonctionne encore à pleine puissance. Par 5 conséquent, dans l'échangeur de chaleur 16 on a un échange de chaleur entre le flux chaud sortant de la turbine 32 et le flux froid du turbomoteur 20 (un débit massique très faible). Par conséquent, le turbomoteur 20 va être mis en mouvement seulement par le transfert énergétique dans l'échangeur de chaleur 16. En fonction des performances de l'échangeur de chaleur 16 (en termes d'efficacité et perte de charge), la turbine libre 33 10 peut être amenée à produire de la puissance mécanique utile, si elle n'est pas freinée par un dispositif dédié sans brûler du carburant dans la chambre du turbomoteur 20. Dans ce mode dégradé de fonctionnement, le turbomoteur 20 devient un système de récupération d'énergie auxiliaire au turbomoteur 10. Ainsi, le dispositif de l'invention peut travailler en multi-rotor ou mono-rotor pour propulseur l'hélicoptère 40. 15 Le mode de réalisation décrit précédemment conviendrait à d'autres applications, autres que pour la propulsion d'un hélicoptère et la génération d'énergie électrique. Les turbomoteurs des différents modes de réalisation peuvent être semblables, ce qu'on a représenté ici, REVENDICATIONS1) Agencement de turbomoteurs, caractérisé en ce qu'il comprend deux turbomoteurs (10, 20) dont chacun comprend une section froide (11, 21) comprenant un ou plusieurs compresseurs, axiaux ou centrifuges, mécaniquement liés ou pas, en amont d'une chambre de combustion (12, 22) et une section chaude (13, 23) comprenant une ou plusieurs turbines, axiales ou centripètes, en aval de la chambre de combustion, caractérisé en ce que les turbomoteurs sont couplés par deux échangeurs de chaleur (16, 26), un premier des échangeurs de chaleur (16) mettant en relation d'échange thermique un flux d'air sortant de la section froide (11) d'un premier des turbomoteurs et un flux des gaz sortant de la section chaude (23) d'un second des turbomoteurs, un second des échangeurs des chaleur (26) mettant en relation d'échange thermique le flux des gaz sortant de la section chaude (13) du premier des turbomoteurs et le flux d'air sortant de la section froide (21) du second des turbomoteurs. 2) Agencement des turbomoteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des échangeurs de chaleur est placé entre un dernier des compresseurs (15, 25) et la chambre de combustion (12, 22) d'un des turbomoteurs, et à un échappement (19, 29) en aval d'une dernière des turbines (18, 28) de l'autre des turbomoteurs. 3) Agencement de turbomoteurs selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les axes de rotation des turbomoteurs (10, 20) sont parallèles et les sens de l'écoulement des flux le long des turbomoteurs sont opposés. 4) Agencement de turbomoteurs selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les turbomoteurs (10, 20) ont les échappements (19, 29) en canalisations coudées à coude unique, la canalisation coudée de chacun des turbomoteurs croisant l'autre des turbomoteurs. 5) Agencement des turbomoteurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les turbomoteurs comprennent chacun une turbine libre (32, 33) dans la section chaude, sans liaison mécanique avec la section 9 froide, mais comprenant un arbre (34, 35) de prise de puissance sortant des turbomoteurs. 6) Agencement de turbomoteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce que les arbres de prise de puissance sont parallèles avec les sens de rotation opposés 5 et avec des zones de transmission de puissance (45, 46) spatialement décalées. 7) Agencement de turbomoteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un arbre moteur (41) relié à chacun des arbres de prise de puissance par une transmission (43, 44) mécanique respective. 8) Agencement de turbomoteurs selon les revendications 3 et 7, 10 caractérisé en ce que l'arbre moteur (41) s'étend entre les arbres de prise de puissance et entre les parties principales de turbomoteurs. 9) Agencement de turbomoteurs selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il constitue un propulseur d'hélicoptère mono-rotor ou multi-rotor. 10) Agencement de turbomoteurs selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il constitue un turbogénérateur d'électricité.