Brevet FR3095008A1 — publié le 20201016

Description Titre de l'invention : ENSEMBLE COMPRENANT DEUX COMPRESSEURS RADIAUX ET DEUX TURBINES RADIALES [0001] La présente invention concerne le domaine des turbomachines. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un ensemble comprenant deux compresseurs radiaux et deux turbines radiales. [0002] Les convertisseurs d'énergie équipée de turbines à gaz sont largement utilisés dans le domaine des applications stationnaires, par exemple pour produire de l'électricité. Certains cycles thermodynamiques de ces convertisseurs comprenant plusieurs étages de compression et de détente permettent d'atteindre des rendements ainsi que des densités de puissance très importants. [0003] Cependant, dans des applications industrielles stationnaires on utilise des tech- nologies de turbomachines comprenant des compresseurs et des turbines axiales. Dans cette technologie, l'entrée des gaz et la sortie des gaz sont dans le même axe. C'est le cas par exemple d'un turbo réacteur. [0004] De telles turbines à gaz ne sont pas utilisables dans le domaine l'automobile où l'on recherche la compacité. Le domaine de l'automobile utilise plutôt des machines radiales comme les turbocompresseurs, à l'exemple du document FR2979384A1. Dans ces machines l'entrée des gaz et la sortie des gaz ne se font pas dans le même axe. De plus, ces machines peuvent atteindre des taux de compression et de détente plus importants que pour les machines axiales. [0005] Si on veut alors une architecture composée plusieurs étages de compression et de détente utilisant des machines radiales, cette architecture doit être repensée pour intégrer ces machines radiales. [0006] L'invention vise à résoudre ce problème. [0007] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un ensemble comprenant : -deux compresseurs radiaux, -deux turbines radiales, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'engrenage comportant : -une roue centrale, -des roues satellites, -une couronne périphérique, les roues satellites étant engrenées entre la roue centrale et la couronne périphérique, les compresseurs et les turbines ayant chacun pour axe de rotation l'axe de rotation d'une roue satellite. [0008] L'effet technique est d'obtenir une architecture compacte intégrant deux com- 2 presseurs et deux turbines radiales. [0009] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en com- binaisons : [0010] Selon une réalisation, l'ensemble comprend deux sous-ensembles comportant chacun : un compresseur, une turbine et une roue satellite ayant même axe de rotation. [0011] Selon une réalisation, l'ensemble comprend : -un sous-ensemble comportant les deux turbines et une roue satellite sur un même axe de rotation, -un sous-ensemble comportant les deux compresseurs et une autre roue satellite sur un même axe de rotation. [0012] L'invention a aussi pour objet une machine comprenant un ensemble de l'invention ainsi que : -un refroidisseur, un régénérateur,deux chambres de combustion, un générateur électrique, le refroidisseur étant relié entre une sortie d'air d'un premier des deux compresseurs et une entrée d'air du second des deux compresseurs, pour refroidir l'air issu du premier des deux compresseurs, le régénérateur étant un échangeur de chaleur air! gaz de combustion relié entre une sortie d'air du second des deux compresseurs et une entrée d'air d'une première des deux chambres de combustion, une première des deux chambres de combustion étant reliée entre une sortie d'air du régénérateur et une entrée d'une première des deux turbines, la deuxième des deux chambres de combustion étant reliée entre une sortie de la première des deux turbines et une entrée de la seconde des deux turbines, la sortie de la seconde des deux turbines étant reliée à une entrée des gaz de combustion du régénérateur, Le générateur électrique étant entrainé par la couronne périphérique. [0013] Selon une réalisation, les compresseurs sont disposés d'un côté par rapport à un plan parallèle à la couronne périphérique et passant par celle-ci tandis que les deux turbines sont disposées de l'autre côté de ce plan. [0014] Selon une réalisation, les deux compresseurs sont disposés d'un côté par rapport à un plan perpendiculaire à la couronne périphérique et passant par son diamètre tandis que les deux turbines sont disposées de l'autre côté de ce plan. [0015] Selon une réalisation, le refroidisseur ainsi que le générateur électrique sont du côté des compresseurs tandis que le régénérateur et les chambres de combustion sont du côté des turbines. [0016] Selon une réalisation, la couronne périphérique comprend des bobinages et des aimants de sorte à former une partie du générateur électrique. 3 [0017] L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une machine selon l'une des variantes précédemment décrites. [0018] D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : [0019] [fig.1] : cette figure représente schématiquement en coupe un premier mode dc réa- lisation d'une machine de l'invention. [0020] [fig.2] : cette figure représente schématiquement en coupe un autre mode de réa- lisation d'une machine de l'invention. [0021] [fig.3] : cette figure représente schématiquement un autre mode de réalisation d'une machine de l'invention. [0022] La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une machine selon l' invention. [0023] Selon cc mode de réalisation, la machine comprend deux compresseurs radiaux : un premier compresseur radial Cl, un second compresseur radial C2. La machine comprend encore deux turbines radiales : une première turbine radiale T1 et une seconde turbine radiale T2. Un compresseur radial est un compresseur dont le fluide de travail, le plus souvent de l'air, entre selon l'axe de rotation du compresseur et en sort comprimé selon une direction radiale à l'axe de rotation. Une turbine radiale est une turbine dont le fluide de travail, le plus souvent des gaz de combustion, entre selon une direction radiale à l'axe de rotation et en sort détendu selon l'axe de rotation de la turbine. [0024] Comme illustré sur la figure 1, la machine comprend encore un système d'engrenage de type train planétaire comportant une roue centrale 1, deux roues satellites 2a et 2b, et une couronne périphérique 3. Les roues satellites 2a, 2b, sont engrenées entre la roue centrale 1 et la couronne périphérique 3. [0025] Dans ce premier mode de réalisation, il est prévu une architecture avec deux sous- ensembles comportant un compresseur, une turbine et une roue satellite sur un même axe de rotation. [0026] Dans le cas présent, le premier compresseur Cl, la roue satellite 2b et la seconde turbine T2 sont reliés par un arbre de transmission 4b sur un même axe de rotation. De la même manière le second compresseur C2, la roue satellite 2a et la première turbine Ti sont reliés par un arbre de transmission 4a sur un même axe de rotation. [0027] Comme illustré encore sur la figure i, la machine comprend une entrée d'air à comprimer EA1 vers le premier compresseur Cl. Le premier compresseur Cl comprend une sortie SA1 d'air comprimé reliée à une entrée d'un échangeur IC de chaleur désigné refroidisseur, car il a pour fonction de refroidir l'air comprimé en sortie du compresseur Cl. La sortie du refroidisseur IC est reliée à une entrée d'air EA2 du second compresseur C2. Le second compresseur C2 comprend une sortie SA2 d'air comprimé reliée à une entrée d'un régénérateur R. Un régénérateur est un échangeur de chaleur entre de l'air et des gaz de combustion permettant dc réchauffer l'air sortant du second compresseur C2 avec la chaleur restante dans les gaz en sortie de la turbine 2. [0028] La sortie d'air du régénérateur R est reliée à une entrée d'une première chambre de combustion CC1. La sortie de la première chambre de combustion CC1 est reliée à une entrée des produits de combustion EC1 de la première turbine Ti. La première turbine Ti comprend une sortie des produits de combustion SC1 reliée à l'entrée d'une seconde chambre de combustion CC2. La sortie de la seconde chambre de combustion CC2 est reliée à une entrée EC2 des produits de combustion de la seconde turbine T2. La seconde turbine T2 comprend une sortie SC2 reliée au régénérateur R pour préchauffer l'air en entrée de la première chambre de combustion CC1. [0029] La machine comprend encore un générateur électrique EU entrainé par la couronne périphérique 3. On peut prévoir que la couronne périphérique 3 comprenne des bobinages et des aimants de sorte à former une partie du générateur électrique EU. [0030] Pour des raisons thermiques, on peut prévoir que les deux compresseurs Cl, C2 soient disposés d'un côté par rapport à un plan parallèle à la couronne périphérique 3 et passant par celle-ci et les deux turbines T], T2 de l'autre côté de cc plan. Avec cette configuration on peut prévoir de plus mettre les chambres de combustions CC1, CC2 et le régénérateur R du côté des turbines Ti, T2 et le refroidisseur IC et le générateur électrique EU du côté des compresseurs CI, C2 afin de mieux gérer la thermique du système. [0031] Ainsi, l'entrée d'air se fait par le compresseur CI, qui comprime l'air, donc augmente sa pression et sa température. L'air entre ensuite dans le refroidisseur IC qui rejette la chaleur vers l'ambiant s'il fait un échange thermique avec l'air ambiant. En sortie du refroidisseur IC, l'air est toujours à haute pression, mais il est refroidi. Cet air subit ensuite une seconde compression dans le second compresseur C2. En sortie du second compresseur C2, l'air est préchauffé dans le régénérateur R puis entre dans la première chambre de combustion CCI où une combustion a lieu. En sortie de la première chambre de combustion CCI, les produits de combustion entrent dans la première turbine Ti et effectuent une première détente, puis repassent dans la seconde chambre de combustion CC2 où une seconde combustion a lieu, celle-ci étant appelée post-combustion. Les gaz en sortie de la seconde chambre de combustion passent dans la seconde turbine T2 qui détend les produits de combustion environ jusqu'à la pression atmosphérique. En sortie de la seconde turbine T2, les gaz sont toujours chauds, et passent dans le régénérateur R côté chaud pour préchauffer l'air en entrée de la première chambre de combustion CCI. [0032] La couronne périphérique 3 tourne à une vitesse inférieure à la vitesse de rotation des turbomachines. Celle-ci tournent à la même vitesse et sont couplés sur le même axe. Cela permet d'utiliser une machine électrique à vitesse réduite comparé à la vitesse des turbines. Dans cette configuration, le système de paliers sera équilibré. En effet, l'effort sur les roues satellites 2a, 2b dû aux couples des compresseurs et des turbines sera transmis à la roue centrale 1 et à la couronne périphérique ce qui résulte d'un équilibre sur les paliers des arbres de transmission 4a, 4b, ce qui est bénéfique. [0033] Le fonctionnement de cette machine décrite en figure 1 est basé sur un cycle thermo- dynamique dit IRRGT pour « Intercooled Regeneratve Reheat Cas Turbine » en anglais, permettant d'obtenir des rendements ainsi que des densités de puissance importants. [0034] La figure 2 présente un autre exemple de réalisation. Cet exemple de réalisation diffère du mode de réalisation de la figure 1 en ce que les deux turbines Tl, T2 et la roue satellite 2a sont reliées par un même arbre de transmission 4a, pour former un sous-ensemble ayant même axe de rotation. Cet exemple de réalisation diffère encore du mode de réalisation de la figure 1 en ce que les deux compresseurs Cl, C2 et l'autre roue satellite 2b sont reliés par un autre arbre de transmission 4b, pour former un autre sous-ensemble ayant un même axe de rotation. [0035] Cette configuration permet de mettre les turbines T1, T2 sur un même axe et les com- presseurs Cl, C2 sur un autre même axe. Etant donné que les turbines sont plus chaudes, que les compresseurs cela permet de gérer le fonctionnement du système et de définir des paliers d'arbre de transmission spécifiques aux conditions de température de fonctionnement. Dans cette configuration, les deux compresseurs Cl, C2 sont disposés d'un côté pat- rapport à un plan perpendiculaire à la couronne périphérique 3 et passant par son diamètre tandis que les deux turbines Ti, T2 sont disposées de l'autre côté de ce plan. [0036] Avec cette configuration on peut prévoir également de disposer les chambres de combustions CCI, CC2 et le régénérateur R du côté des turbines Ti, T2 et le refroidisseur IC et le générateur électrique EU du côté des compresseurs Cl, C2. [0037] La figure 3 présente un autre exemple de réalisation. Dans cette exemple, le re- froidisseur, le régénérateur, les chambres de combustion, le générateur électrique ne sont pas visibles pour plus de clarté. Cet exemple de réalisation diffère du mode de réalisation de la figure 1 en ce que chaque compresseur Cl, C2 et chaque turbine Ti, T2 sont chacun reliés à une roue satellite 2a, 2b, 2c, 2d distincte, respectivement par un arbre de transmission 4a, 4b, 4c, 4d. Chaque compresseur Cl, C2 et chaque turbine Ti, T2 a pour axe de rotation l'axe de rotation de la roue satellite auquel il est relié. [0038] Dans cette configuration également, les deux compresseurs Cl, C2 sont disposés d'un côté par rapport à un plan perpendiculaire à la couronne périphérique 3 et passant 6 par son diamètre tandis que les deux turbines Tl, T2 sont disposées de l'autre côté de ce plan. Avec cette configuration on peut prévoir également de disposer les chambres de combustions CC1, CC2 et le régénérateur R du côté des turbines T], T2 et le refroidisseur TC et le générateur électrique EG du côté des compresseurs Cl, C2. [0039] Les modes de réalisation présentent une machine dont l'architecture compacte autorise un embarquement dans un véhicule, tel qu'un véhicule automobile. [0040] L'invention permet de réduire la longueur des axes de transmissions de la machine, et donc dc diminuer les torsions et distorsion dans ces axes et de réduire le nombre dc paliers. On obtient une architecture dc machine compacte. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] REVENDICATIONSEnsemble comprenant : -deux compresseurs radiaux (C 1 , C2), -deux turbines radiales (Tl, T2), caractérisé en ce qu'il comprend un système d'engrenage comportant : -une roue centrale (1 ), -des roues satellites (2a, 2b, 2c, 2d), -une couronne périphérique (3), les roues satellites (2a, 2b, 2c, 2d) étant engrenées entre la roue centrale (1) et la couronne périphérique (3), les compresseurs (Cl, C2) et les turbines (Ti, T2) ayant chacun pour axe de rotation l'axe de rotation d'une roue satellite (2a, 2b, 2e, 2d). Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux sous-ensembles comportant chacun : un compresseur, une turbine et une roue satellite ayant même axe de rotation. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend : -un sous-ensemble comportait les deux turbines (Ti, T2) et une roue satellite sur un même axe de rotation, -un sous-ensemble comportait les deux compresseurs (Cl, C2) et une autre roue satellite sur un même axe de rotation. Machine, caractérisée en ce qu'elle comprend -un ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, -un refroidisseur (IC), un régénérateur (R), deux chambres de combustion (CC1, CC2), un générateur électrique (EG), le refroidisseur (IC) étant relié entre une sortie d'air (SA1) d'un premier des deux compresseurs et une entrée (EA2) d'air du second des deux compresseurs, pour refroidir l'air issu du premier des deux compresseurs, le régénérateur (R) étant un échangeur de chaleur air / gaz de combustion relié entre une sortie d'air (SA2) du second des deux compresseurs et une entrée d'air d'une première des deux chambres de combustion (CC1), une première des deux chambres de combustion (CC1) étant reliée entre une sortie d'air du régénérateur (R) et une entrée (EC1) d'une première des deux turbines, la deuxième des deux chambres de combustion (CC2) étant reliée entre une sortie (SC1) de la première des deux turbines (T 1 ) et une entrée 8 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] (EC2) de la seconde des deux turbines (T2), la sortie (SC2) de la seconde des deux turbines (T2) étant reliée à une entrée des gaz de combustion du régénérateur (R), Le générateur électrique (EG) étant entrainé par la couronne périphérique (3). Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les compresseurs (Cl, C2) sont disposés d'un côté par rapport à un plan parallèle à la couronne périphérique (3) et passant par celle-ci tandis que les deux turbines (T1, T2) sont disposées de l'autre côté de ce plan. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les deux compresseurs (Cl, C2) sont disposés d'un côté par rapport à un plan perpendiculaire à la couronne périphérique (3) et passant par son diamètre tandis que les deux turbines (Tl, T2) sont disposées de l'autre côté de ce plan. Machine selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que le refroidisseur (IC) ainsi que le générateur électrique (EG) sont du côté des compresseurs (Cl, C2) tandis que le régénérateur (R) et les chambres de combustion (CC1, CC2) sont du côté des turbines (T], T2). Machine selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que la couronne périphérique (3) comprend des bobinages et des aimants de sorte à former une partie du générateur électrique (EU). Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une machine selon l'une des revendication 4 à 8.