Brevet FR3075258A1 — publié le 20190621

La presente invention se rapporte a un ensemble de turbopompe cinetique pour un circuit ferme, en particulier de type a cycle de Rankine, associe a un moteur a combustion interne, notamment pour vehicule automobile ou pour un vehicule poids lourd. Plus precisement, la turbopompe est mecaniquement liee a un rotor d'une machine electrique. Par turbopompe cinetique it est entendu, un ensemble forme par une pompe centrifuge et une turbine rotodynamique. La pompe a la particularite selon laquelle son rotor porte une multiplicite d'ailettes radiales pour former un impulseur dont l'effet est la mise en rotation et ('acceleration du fluide en condition liquide. Par l'effet de la rotation de ('impulseur de la pompe, le fluide est aspire axialement, puis accelere radialement et refoule par la volute, ou par un diffuseur, que comporte habituellement une turbopompe. La turbine peut etre une turbine cinetique, en particulier une turbine axiale a action. Dans ce cas, la turbine, qui est raccordee a la pompe sur le merle arbre, peut etre constituee d'une partie statorique disposant d'un aubage fixe appele injecteur visant a convertir la pression du fluide en condition vapeur en energie cinetique. Cette energie cinetique est alors convertie en energie mecanique au travers d'un aubage mobile de la partie rotorique de la turbine. Les aubages de la turbine sont constitues d'ailettes permettant la détente du fluide qui est evacue par la volute de sortie de la turbine. Les aubages de la turbine peuvent etre a profil radial ou axial. De preference, les aubages de la turbine sont a profil radial. Comme cela est largement connu, un cycle de Rankine est un cycle 25 thermodynamique par lequel de la chaleur provenant d'une source de chaleur externe est transmise a un circuit ferme qui contient un fluide de travail. Au cours du cycle, le fluide de travail subit des changements de phase (liquide/vapeur). Ce type de cycle se decompose generalement en une 6tape durant laquelle 30 le fluide de travail utilise sous forme liquide, est comprime de maniere isentropique, suivie d'une etape au ce fluide liquide comprime est chauffe et vaporise au contact d'une source de chaleur. 2 Cette vapeur est ensuite detendue, au cours d'une autre etape, dans une machine de détente, puis, dans une derniere etape, cette vapeur detendue est refroidie et condensee au contact d'une source froide. 5 Pour realiser ces differentes etapes, le circuit comprend au moins une pompe pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un echangeurevaporateur qui est balaye par un fluide chaud pour realiser la vaporisation au moins partielle du fluide comprime, une machine de détente pour detendre la vapeur, telle qu'une turbine, qui transforme ('energie de cette vapeur en une autre 10 energie, comme une energie mecanique ou electrique, et un echangeurcondenseur grace auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cedee a une source froide, generalement de ('air exterieur, ou encore un circuit d'eau de refroidissement, qui balaye ce condenseur, pour transformer cette vapeur en un fluide sous forme liquide. 15 Dans ce type de circuit, le fluide utilise est generalement de l'eau mais d'autres types de fluides, par exemple des fluides organiques ou des mélanges de fluides organiques, peuvent egalement etre utilises. Le cycle est alors appele Cycle de Rankine Organique ou ORC (Organic Rankine Cycle). 20 A titre d'exemple, les fluides de travail peuvent etre du butane, de ('ethanol, des hydrofluorocarbures, de ('ammoniac, du dioxyde de carbone... Comme cela est Bien connu, le fluide chaud pour realiser la vaporisation du fluide comprime peut provenir de sources chaudes variees, telles qu'un liquide de refroidissement (d'un moteur a combustion, d'un processus industriel, d'un four, etc.), des gaz chauds resultant d'une combustion (fumees d'un processus industriel, d'une chaudiere, gaz d'echappement d'un moteur a combustion ou d'une turbine, etc.), d'un flux de chaleur issu de capteurs solaires thermiques, etc. Generalement et comme mieux decrit dans le document WO 2013/046885, la pompe et la turbine peuvent etre combinees en une seule piece pour former une turbopompe de faible encombrement. 3 L'arbre de cette turbopompe, qui est commun a la pompe et a la turbine, est souvent couple a une motorisation, soit le moteur thermique, soit une machine electrique adaptee a fournir ou a convertir de l'energie. 5 La presente invention se propose de perfectionner une turbopompe electrifiee de fagon a optimiser ('utilisation d'un circuit ferme a cycle de Rankine. A cet effet, la presente invention concerne un ensemble de turbopompe rotodynamique pour la circulation d'un fluide de travail dans un circuit ferme, en 10 particulier de type a cycle de Rankine, associe a une machine electrique tournante comportant un rotor et un stator, ledit rotor etant mecaniquement lie en rotation a l'arbre de la pompe et a l'arbre de la turbine de ladite turbopompe. Selon l'invention, ladite machine electrique comporte une zone de refroidissement dans laquelle circule ledit fluide de travail sous pression. 15 Le rotor, la pompe et la turbine peuvent etre sur le merle arbre. Le rotor, la pompe et la turbine sont sur des arbres distincts relies mecaniquement avec un rapport de reduction. La totalite du fluide de travail en sortie de la pompe peut circuler dans ladite zone de refroidissement. 20 Ladite zone de refroidissement peut etre situee circonferentiellement autour du stator. Ladite zone de refroidissement peut comporter des conduits en serpentins autour du stator. Ladite zone de refroidissement peut comporter au moins un plot de 25 turbulence. Ladite zone de refroidissement peut comporter au moins un canal fin. Ladite pompe peut comporter une roue de mise en pression, un diffuseur et un collecteur pour mettre en circulation le fluide de travail dans la zone de refroidissement tout en minimisant les pertes de charge associees a son passage. 30 Les autres caracteristiques et avantages de l'invention vont apparaitre a la lecture de la description qui va suivre, donnee a titre uniquement illustratif et non limitatif, et a laquelle sont annexees : 4 - la figure 1 qui montre schematiquement un circuit hydraulique d'un cycle Rankine dans lequel est int6gr6 une turbopompe electrifiee selon ('invention et, - la figure 2 qui est une vue en coupe plus precise de la pompe et de la 5 circulation du fluide de refroidissement a l'interieur de la zone de refroidissement. Pour ('application transport routier (vehicule leger et poids lourd), afin de limiter les coOts de la solution ORC, une possibilite consiste pour les solutions de 10 recuperation par cycle de Rankine a proposer une turbopompe electrifiee integree disposant ainsi, en un merle composant et sur le merle arbre, d'une pompe, d'une machine de détente, et d'une machine electrique. Generalement le refroidissement d'une machine electrique, necessaire a ('evacuation des calories produites par les pertes Joule dans celle-ci, est realise 15 via un refroidissement externe avec un fluide caloporteur (eau, huile, fluide de travail...). Selon la presente invention, pour reduire encore davantage les coOts et ameliorer !Integration du composant turbopompe, it est propose de deriver le fluide de travail sous pression sortant de la pompe vers le carter de la machine 20 electrique afin de realiser son refroidissement. La figure 1 montre une turbopompe electrifiee 1 qui fait partie du circuit fen-he a cycle de Rankine 2 qui est avantageusement de type ORC (Organic Rankine Cycle) et qui utilise un fluide de travail organique ou des mélanges de fluides 25 organiques, comme du butane, de ('ethanol, des hydrofluorocarbures. II est Bien entendu que le circuit fen-he peut egalement fonctionner avec un fluide comme de ('ammoniac, de l'eau, du dioxyde de carbone... La section de la turbopompe 1 comprend une pompe 3 munie d'une entrée 4 30 du fluide de travail sous forme liquide et d'une sortie 5 de ce fluide de travail egalement sous forme liquide mais comprime sous une pression elevee. La sortie 5 de la pompe est reliee a un echangeur de chaleur 6, denomme evaporateur, traverse par le fluide de travail comprime et grace auquel le fluide de travail ressort de cet evaporateur sous forme de vapeur comprimee. 5 Cet evaporateur 6 est egalement parcouru par une source chaude 7, sous forme liquide ou gazeuse de maniere a pouvoir ceder sa chaleur au fluide de travail. Cette source chaude peut par exemple provenir des gaz d'echappement ou d'une autre source de chaleur d'un moteur a combustion interne. 5 La sortie de l'evaporateur est connectee a ('entree 8 de la section de la turbopompe comprenant la turbine 9 pour y faire admettre le fluide de travail sous forme de vapeur comprimee a haute pression, ce fluide ressortant par la sortie 10 de cette turbine sous forme de vapeur detendue a basse pression. La sortie 10 de la turbine 9 est raccordee a un echangeur de refroidissement 10 11, ou condenseur, qui permet de transformer la vapeur basse pression detendue qu'il regoit en un fluide liquide basse pression. Ce condenseur est balaye par une source froide 20, generalement un flux d'air ambiant ou d'eau de refroidissement, de maniere a refroidir la vapeur detendue pour qu'elle se condense et se transforme en un liquide. 15 Dans ce mode de realisation, la pompe et la turbine sont sur le merle arbre. Selon d'autres modes, ils peuvent etre sur des arbres distincts relies mecaniquement avec un rapport de reduction et raccordes a l'arbre du rotor de la machine electrique 12. La machine electrique 12 est, soit motrice pour demarrer le cycle, soit generatrice d'electricite lorsque le cycle est moteur. 20 Bien entendu, les differents elements du circuit sont relies entre eux par des conduites de circulation de fluide. Pour reduire encore davantage les coOts et ameliorer !Integration du composant turbopompe electrifiee, it est propose de deriver le fluide comprime 25 sortant de la pompe vers le carter de la machine electrique afin de realiser son refroidissement. Traditionnellement le refroidissement d'une machine electrique, necessaire a ('evacuation des calories produites par les pertes Joule de celle-ci, est realise via un refroidissement externe avec un fluide caloporteur (air, eau, huile). Cette configuration necessite un piquage d'entree et de sortie sur le corps 30 de la turbopompe en partie centrale proche de la machine electrique ainsi qu'un dispositif externe de mise en circulation du fluide de refroidissement comprenant une pompe, un reservoir, et des conduits. 6 Dans la presente invention, le refroidissement est realise par une circulation interne a la turbopompe du fluide pressurise par la pompe. Le fluide comprime en sortant de la pompe est oriente vers la partie centrale de la turbopompe, au se situe le stator de la machine electrique, au moyen d'un diffuseur localise sur la 5 pompe. Un espace libre entourant la partie statorique de la machine electrique joue le role d'un echangeur de chaleur et permet de refroidir celle-ci. Apres circulation, le fluide ressort de la turbopompe (sortie 5) pour etre dirige par un conduit vers l'evaporateur 6 du cycle de Rankine. D'un point de vue architecture, cette solution permet de supprimer les 10 elements externes dedies a la fonction de refroidissement et de simplifier le systeme Rankine. Ainsi, l'integralite du fluide de travail comprime sortant de la pompe est mis en circulation au sein de la zone de refroidissement centrale de la machine electrique. 15 L'interet d'une telle configuration est multiple : - Simplification des interfaces de la turbogeneratrice electrique avec son environnement exterieur ; - Reduction du coOt de la fonction turbogeneratrice par la suppression de composants externes dedies au refroidissement de celle-ci ; 20 - Gain de place pour le systeme ORC compte tenu de ('internalisation de la fonction refroidissement dans la turbopompe ; - Simplification du controle du systeme Rankine grace a ('utilisation d'un systeme de refroidissement passif et sans necessiter de controle. 25 La figure 2 montre schematiquement et partiellement la pompe et la machine electrique. Le fluide de travail penetre dans la roue 13 de la pompe cinetique par le centre pour etre comprime par la vitesse de rotation et etre envoye radialement dans un diffuseur 14. La roue 13 est mecaniquement liee a l'arbre 15 du rotor 16 de la machine 30 electrique. Un collecteur 17 conduit le fluide sous pression dans une zone de refroidissement 18 a l'exterieur du stator 19 de la machine electrique. La zone de refroidissement peut comporter des conduits en serpentins entourant circonferentiellement le stator. La construction de la zone de circulation 7 fait ('objet d'une optimisation afin de limiter les pertes de charge dues au fluide, tout en assurant un refroidissement efficace de la machine electrique. De plus, cette configuration permet d'homogeneiser les debits de fluide qui refroidissent le stator. 5 De plus la zone de refroidissement 18 peut comporter au moins un plot de turbulence (non represente), afin d'homogeneiser les debits de fluide qui refroidissent le stator. En outre, la zone de refroidissement 18 peut comporter au moins un canal fin (non represente), c'est-a-dire de section moins importante que le reste des 10 conduits. Dans la phase de demarrage du circuit ferme, la machine electrique est motrice pour realiser l'amorgage de la pompe 3 de la turbopompe 1. Pour ce faire, la machine electrique est alimentee en energie electrique. Dans une des phases de fonctionnement du circuit, la turbine produit de 15 l'energie qu'elle transmet a la machine electrique qui fonctionne alors en generatrice, lorsque cette turbine produit davantage de puissance que la consommation de la pompe. Des que la puissance transmise devient insuffisante, c'est-a-dire que la turbine produit moins de puissance que la pompe n'en consomme, la turbopompe 20 est rendue inoperante electriquement. La presente invention n'est pas limitee a l'exemple REVENDICATIONS1) Ensemble de turbopompe cinetique (1) pour la circulation d'un fluide de travail dans un circuit ferme, en particulier de type a cycle de Rankine, associe a une machine electrique tournante (12) comportant un rotor (16) et un stator (19), ledit rotor (16) etant mecaniquement lie en rotation a l'arbre de la pompe et a l'arbre de la turbine (9) de ladite turbopompe, caracterise en ce que ladite machine electrique (12) comporte une zone de refroidissement (18) dans laquelle circule ledit fluide de travail sous pression. 2) Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le rotor (16), la pompe (3) et la turbine (9) sont sur le merle arbre. 3) Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le rotor (16), la pompe (3) et la turbine (9) sont sur des arbres distincts relies mecaniquement avec un rapport de reduction. 4) Ensemble selon l'une des revendications 1 a 3, dans lequel la totalite du fluide de travail en sortie de la pompe circule dans ladite zone de refroidissement (18). 5) Ensemble selon l'une des revendications precedentes, dans lequel ladite zone de refroidissement (18) est situee circonferentiellement autour du stator (19). 6) Ensemble selon l'une des revendications precedentes, dans lequel ladite zone de refroidissement (18) comporte des conduits en serpentins autour du stator (19). 7) Ensemble selon l'une des revendications precedentes, dans lequel ladite zone de refroidissement (18) comporte au moins un plot de turbulence. 8) Ensemble selon l'une des revendications precedentes, dans lequel ladite zone de refroidissement (18) comporte au moins un canal fin. 9 9) Ensemble selon l'une des revendications precedentes, dans lequel ladite pompe (3) comporte une roue (13) de mise en pression, un diffuseur (14) et un collecteur (17) pour mettre en circulation le fluide de travail dans la zone de refroidissement (18). 5