Brevet FR3091899A1 — publié le 20200724

Description Titre de l'invention : Ensemble pour turbomachine Domaine technique [0001] La présente invention concerne un ensemble pour turbomachine. [0002] L'invention vise plus spécifiquement un ensemble pour turbomachine comprenant une chambre de combustion isochore. Technique antérieure [0003] En référence à la figure I. une turbomachine 1 connue comprend, d'amont en aval par rapport au sens d'écoulement d'air au sein de ladite turbomachine 1 en fonctionnement, une soufflante 10, un compresseur basse pression 20, un compresseur haute pression 30, une chambre de combustion isobare 40, une turbine haute pression 50 et une turbine basse pression 60. Le compresseur haute pression 30 et la turbine haute pression 50 forment un corps haute pression 2, et le compresseur basse pression 20 et la turbine basse pression 60 forment un corps basse pression 3. [0004] En fonctionnement, l'air admis par la soufflante 10 est réparti entre un flux primaire 4, circulant à travers le corps haute pression 2 et le corps basse pression 3, et un flux secondaire 5 circulant autour du corps haute pression 2 et du corps basse pression 3. Le flux primaire 4 est comprimé à travers les compresseurs 20, 30, puis subit une combustion au sein de la chambre de combustion isobare 40, pour enfin être détendu dans les turbines 50, 60. Les turbines 50, 60 entraînent en rotation à la fois la soufflante 10 et les compresseurs 20, 30. [0005] La plupart des améliorations récentes d'une telle turbomachine 1 se sont focalisées sur l'optimisation de son cycle thermodynamique. En abaissant le rapport de pression de la soufflante 10 et, corollairement, en augmentant le taux de dilution (i.e. le rapport entre la masse du flux secondaire 5 sur la masse d'air du flux primaire 4) et/ou le taux de compression (i.e. le rapport entre la pression totale en amont et en aval de la soufflante 10 et des compresseurs 20, 30), il a été observé des progressions du rendement propulsif et/ou du rendement thermique. [0006] Toutefois, de telles améliorations sont en partie dégradées par des accroissements de masse et de tramée aérodynamique. [0007] Il existe donc un besoin d'amélioration des turbomachines existantes, notamment en vue de réduire leur consommation. Exposé de l'invention 100081 Un des buts de l'invention est d'améliorer la consommation spécifique de carburant d'une turbomachine. 100091 Un autre but de -l'invention est de réduire la masse des composants d'une tur- 2 bomachinc. [0010] Ti est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l'invention un ensemble pour turbomachine comprenant : un compresseur, une chambre de combustion isochore, ladite chambre de combustion isochore comprenant : une soupape d'admission, ladite soupape d'admission étant mobile entre : une position ouverte, dans laquelle la soupape d'admission autorise l'admission d'un fluide en provenance du compresseur vers la chambre de combustion isochore, et une position fermée, dans laquelle la soupape d'admission empêche l'admission d'un fluide en provenance du compresseur vers la chambre de combustion isochore, et une soupape de refoulement, ladite soupape de refoulement étant mobile entre : une position ouverte, dans laquelle la soupape de refoulement autorise le refoulement d'un fluide en provenance de la chambre de combustion isochore, et une position fermée, dans laquelle la soupape de refoulement empêche le re- foulement d'un fluide en provenance de la chambre de combustion isochore, une chambre de combustion isobare configurée pour recevoir un fluide refoulé depuis la chambre de combustion isochore, et une turbine configure° pour recevoir un fluide en provenance de la chambre de combustion isobare. [0011] Grâce à la chambre de combustion isochore, la température du fluide reçu par la chambre de combustion isobare est augmentée. De cette manière, l'efficacité de la combustion à pression constante au sein de la chambre de combustion isobare est améliorée, ce qui réduit la consommation spécifique de carburant de la turbomachine. De plus, la chambre de combustion isochore est le siège d'une combustion à volume constant, dont le rendement thermique est supérieur au rendement thermique d'une combustion à pression constante. [0012] Avantageusement, mais facultativement, l'ensemble selon l'invention peut comprendre l'une quelconque des caractéristiques suivantes, prise seule ou dans une quelconque combinaison : il comprend un système de commande d'admission configure pour commander un passage entre la position ouverte et la position fermée de la soupape d'admission, le système de commande d'admission comprenant un premier électro-aimant et un premier ressort de rappel, le premier ressort de rappel est configure pour solliciter la soupape d'admission vers la position ouverte, le premier électro-aimant est configure pour solliciter la soupape d'admission vers la position fermée lorsque le premier électro-aimant est alimenté en énergie électrique, 3 il comprend un système de commande de refoulement configuré pour commander un passage entre la position ouverte et la position fermée de la soupape de refoulement, le système de commande de refoulement comprenant un deuxième électro-aimant et un deuxième ressort de rappel, le deuxième ressort de rappel est configuré pour solliciter la soupape de refoulement vers la position ouverte, le deuxième électro-aimant est configuré pour solliciter la soupape de refoulement vers la position fermée lorsque le deuxième électro-aimant est. alimenté en énergie électrique, il comprend un injecteur configuré pour injecter du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion isochore, l'injecteur est disposé plus proche de la soupape d'admission que de la soupape de refoulement, et la chambre de combustion isochore s'étend selon un axe longitudinal dc la turbomachine, l'injecteur présentant un axe s'étendant selon une direction radiale à l'axe longitudinal. [0013] Selon un second aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fonctionnement d'un ensemble tel que précédemment décrit, comprenant les étapes de : admission d'un fluide à l'intérieur de la chambre de combustion isochore, injection de carburant à l'intérieur de la chambre de combustion isochore, combustion du mélange formé par le fluide admis et le carburant injecté, refoulement du fluide issu de la combustion du mélange hors de la chambre de combustion isochore, et balayage de la chambre de combustion isochore. [0014] Avantageusement, mais facultativement, le procédé selon l'invention peut comprendre l'une quelconque des caractéristiques suivantes, prise seule ou dans une quelconque combinaison : durant les étapes d'injection et de combustion, la soupape d'admission et la soupape de refoulement sont en position fermée, et durant l'étape de balayage, la soupape d'admission et la soupape de refoulement sont en position ouverte. [0015] Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé une turbomachine comprenant un ensemble tel que précédemment décrit. Brève description des dessins [0016] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : 100171 Ifig.11 la figure 1, déjà décrite, illustre de façon schématique une turbomachine connue de l'état de la technique, [0018] [fig.2] la figure 2 illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'un ensemble pour turbomachine selon l'invention, [0019] [fig.3] la figure 3 illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'une chambre de combustion isochore pour un mode de réalisation d'un ensemble pour turbomachine selon l'invention, et [0020] [fig.4] la figure 4 illustre schématiquement différentes étapes d'un exemple de mise en oeuvre d'un procédé de fonctionnement selon l'invention. Description des modes de réalisation [0021] En référence aux figures, un ensemble pour turbomachine et un procédé de fonc- tionnement d'un ensemble pour turbomachine vont à présent être décrits. [0022] Turbomachine I [0023] En référence à la figure 2, une turbomachine 1 comprend un compresseur 30 s'étendant selon un axe longitudinal X-X de la turbomachine I. La turbomachine 1 comprend en outre une turbine 50 s'étendant également selon l'axe longitudinal X-X, la turbine 50 étant entraînée en rotation autour de l'axe longitudinal X-X par le compresseur 30. En outre, une chambre de combustion isobare 40 est agencée axialement entre le compresseur 30 et la turbine 50. La chambre de combustion isobare 40 est configurée pour être le siège d'une combustion isobare, c'est-à-dire à pression constante. Enfin, une chambre de combustion isochore 7 est agencée axialernent entre le compresseur 30 et la chambre de combustion isobare 40. La chambre de combustion isochore 7 est configurée pour être le siège d'une combustion isochore, c'est-à-dire à volume constant. [0024] De manière générale, la chambre de combustion isochore 7 est configurée pour redevoir un fluide en provenance du compresseur 30, la chambre de chambre de combustion isobare 40 est configurée pour recevoir un fluide refoulé depuis la chambre de combustion isochore 7, et la turbine 50 est configurée pour recevoir un fluide en provenance de la chambre de combustion isobare 40. [0025] Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal d'un fluide à travers la turbomachine 1 en fonctionnement. Par ailleurs, une direction axiale désigne une direction parallèle à l'axe longitudinal X-X, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe longitudinal X-X, et passant par cet axe longitudinal X-X. Sauf précision contraire, interne (ou intérieur) et externe (ou extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne (i.e. radialemcnt interne) d'un élément est plus proche de l'axe longitudinal X-X, que la partie ou la face externe (i.e. radialemcnt externe) du même élément. [0026] Comme également visible sur la figure 2, la turbomachine 1 peut comprendre une soufflante 10 et une turbine de soufflante 60 s'étendant chacune selon l'axe longitudinal X-X, la soufflante 10 étant entraînée en rotation autour de l'axe longitudinal X-X par la turbine de soufflante 60. Avantageusement, la turbine de soufflante 60 est disposée en aval de la turbine 50. De manière également avantageuse, la turbomachine 1 peut en outre comprendre un compresseur supplémentaire 20, s'étendant également selon l'axe longitudinal X-X, et disposé en aval de la soufflante 10 et en amont du compresseur 30. Ce compresseur supplémentaire 20 est également entraîné en rotation autour de l'axe longitudinal X-X par la turbine de soufflante 60. Dans un mode de réalisation, le compresseur supplémentaire 20 est un compresseur basse pression, le compresseur 30 est un compresseur haute pression, la turbine 50 est une turbine haute pression, et la turbine de soufflante 60 est une turbine basse pression. [0027] En fonctionnement, du fluide admis par la soufflante 10, typiquement de l'air, est comprimé à travers les compresseurs 20, 30, puis subit une combustion à volume constant au sein de la chambre isochore 7 avant du subir une combustion à pression constante au sein de la chambre de combustion isobare 40, pour enfin être détendu dans les turbines 50, 60. Les turbines 50, 60 entraînent en rotation à la fois la soufflante 10 et les compresseurs 20, 30. [0028] Chambre de combustion isochore 7 [0029] En référence aux figures 2 à 4, la chambre de combustion isochore 7 comprend : une soupape d'admission 70, ladite soupape d'admission 70 étant mobile entre : une position ouverte, dans laquelle la soupape d'admission 70 autorise l'admission d'un fluide en provenance du compresseur 30 vers la chambre de combustion isochore 7, et une position fermée, dans laquelle la soupape d'admission 70 empêche l'admission d'un fluide en provenance du compresseur 30 vers la chambre de combustion isochore 7, et une soupape de refoulement 72, ladite soupape de refoulement 72 étant mobile entre : une position ouverte, dans laquelle la soupape de refoulement 72 autorise le refoulement d'un fluide en provenance de la chambre de combustion isochore 7, et une position fermée, dans laquelle la soupape de refoulement 72 empêche le refoulement d'un fluide en provenance de la chambre de combustion isochore 7. [0030] Comme visible plus précisément sur les figures 3 et 4, la chambre de combustion 6 isochore 7 comprend avantageusement : un conduit d'admission 74, configuré pour guider un fluide destiné à être admis au sein de la chambre de combustion isochore 7, par exemple en provenance du compresseur, et un conduit de refoulement 76, configuré pour guider un fluide refoulé depuis la chambre de combustion isochore 7, par exemple vers la chambre de combustion isobare 40. [0031] En référence aux figures 3 et 4, dans un mode de réalisation, la turbomachine 1 comprend un système de commande d'admission 8 configuré pour commander un passage entre la position ouverte et la position fermée de la soupape d'admission 70. [0032] Dans une variante avantageuse, le système de commande d'admission 8 comprend un premier électro-aimant 80, et un premier ressort de rappel 82. De manière privilégiée, le premier ressort de rappel 82 est configuré pour solliciter la soupape d'admission 70 vers la position ouverte. En outre, le premier électro-aimant 80 est configuré pour solliciter la soupape d'admission 70 vers la position fermée lorsque le premier électroaimant 80 est alimente en énergie électrique. De cette manière, en cas de panne du premier électro-aimant 80, la soupape d'admission 70 demeure en position ouverte. [0033] Toujours en référence aux figures 3 et 4, dans un mode de réalisation, la tur- bomachine 1 comprend un système de commande de refoulement 9 configuré pour commander un passage entre la position ouverte et la position fermée de la soupape de refoulement 72. [0034] Dans une variante avantageuse, le système de commande de refoulement 9 comprend un deuxième électro-aimant 90, et un deuxième ressort de rappel 92. De manière privilégiée, le deuxième ressort de rappel 92 est configuré pour solliciter la soupape de refoulement 72 vers la position ouverte. En outre, le deuxième électro-aimant 90 est configuré pour solliciter la soupape de refoulement 72 vers la position fermée lorsque le deuxième électro-aimant 90 est alimenté en énergie électrique. De cette manière, en cas de panne du deuxième électro-aimant 90, la soupape de refoulement 72 demeure en position ouverte. [0035] Dans un mode de réalisation, également illustré sur les figures 3 et 4, la tur- bomachine 1 comprend un injecteur 78 configuré pour injecter du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion isochore 7. Le carburant injecté est mélangé au fluide admis au sein de la chambre de combustion isochore 7 en vue de la combustion à volume constant, typiquement par auto-inflammation du mélange fluide-carburant. Comme visible sur les figures 3 et 4, dans une variante avantageuse, l'injecteur 78 est disposé plus proche de la soupape d'admission 70 que de la soupape de refoulement 72. En d'autres termes, la distance séparant la soupape d'admission 70 de l'injecteur 78 est inférieure à la distance séparant l'injecteur 78 de la soupape de re- 7 feulement 72. De cette manière, le mélange de carburant avec du fluide admis au sein de la chambre isochore 7 est favorisé, cc qui permet d'optimiser la combustion à volume constant. [0036] Comme visible sur les figures 2 à 4, dans un mode de réalisation, la chambre de combustion isochore 7 s'étend selon l'axe longitudinal X-X. Avantageusement, l'injecteur 78 présente alors un axe Y-Y s'étendant selon une direction radiale à l'ace longitudinal X-X. Ceci permet d'optimiser la disposition de la chambre de combustion isochore 7 au sein de la turbomachine 1. [0037] Dans un mode de réalisation visible sur la figure 2, la turbomachine 1 comprend une pluralité de chambres de combustion isochore 7 réparties circonférentiellement autour de l'axe longitudinal X-X. De cette manière, il est possible de contrôler l'augmentation de température du fluide reçu par la chambre de combustion isobare 40, mais également d'optimiser la gestion du débit de fluide en provenance du compresseur 30, qui est ensuite reçu par la chambre de combustion isobare 40. Ainsi, il est possible de s'affranchir de la présence d'une chambre de tranquillisation en amont de la chambre de combustion isobare 40. [0038] Procédé de fonctionnement E [0039] En référence à la figure 4, un procédé de fonctionnement E d'un ensemble pour tur- bomachine 1 selon l'un quelconque des modes de réalisation précédemment décrits, comprend les étapes de : admission El d'un fluide à l'intérieur de la chambre de combustion isochore 7, injection E2 de carburant à l'intérieur de la chambre de combustion isochore 7, combustion E3 du mélange formé par le fluide admis et le carburant injecté, refoulement E4 du fluide issu de la combustion du mélange hors de la chambre de combustion isochore 7, et balayage E5 de la chambre de combustion isochore 7. [0040] Comme visible sur la figure 4, dans un mode de mise en oeuvre, durant les étapes d'injection E2 et de combustion E3, la soupape d'admission 70 et la soupape de refoulement 72 sont en position fermée. [0041] Toujours en référence à la figure 4, dans un mode de mise en oeuvre, durant l'étape de balayage E5, la soupape d'admission 70 et la soupape de refoulement 72 sont en position ouverte. [0042] Ainsi, la combustion E3 se produit à volume constant, ce qui entraîne une hausse de pression et de température du mélange. Lors du refoulement E4, le mélange est à haute température et haute pression au moment d'être reçu par la chambre de combustion isochore 40. La pression et la température diminue alors progressivement au sein de la chambre de combustion isochore 7. Puis, une fois que la pression à l'intérieur de la chambre de combustion isochore 40 est descendue en-dessous du niveau de la pression 8 de fluide en aval du compresseur 30, le passage de la soupape d'admission 70 en position ouverte permet de remplacer le mélange brûlé par du fluide frais au sein de la chambre de combustion isochore 7. [0043] Dans un mode de mise en oeuvre où la turbomachine 1 comprend une pluralité de chambres de combustion isochore 7, chaque chambre de combustion isochore 7 peut fonctionner de manière déphasée par rapport aux autres chambres de combustion isochore 7. Plus précisément, chaque chambre de combustion isochore 7 met en oeuvre une étape El, E2, E3, E4, E5 de fonctionnement qui est différente des étapes E], E2, E3, E4, ES de fonctionnement mises en oeuvre par les autres chambres de combustion isochore 7. [0044] Dans un mode de mise en oeuvre, il est nécessaire de s'assurer que le mélange refoulé de la chambre de combustion isochore 7 comprenne un excès de fluide par rapport aux gaz brûlés afin de s'assurer qu'une combustion peut être réalisée dans la chambre de combustion isobare 40. [0045] Pour ce faire, dans une première variante de mise en oeuvre, la quantité de carburant injecté lors de l'injection E2 est inférieure à la quantité stoechiométrique de carburant nécessaire à la combustion de la totalité du fluide admis au sein de la chambre de combustion isochore 7. Dans cette première variante de mise en oeuvre, la quantité de carburant injectée est néanmoins suffisante pour que, dans les conditions de température et de pression au sein de la chambre de combustion isochore 7, le mélange puisse s'auto-enflammée, sans qu'il ne soit nécessaire d'employer une bougie. Dans ce cas, il est également possible de limiter le temps de réalisation de l'étape de balayage E5 afin de s'assurer qu'une partie des gaz brûlés du mélange reste emprisonnés dans la chambre de combustion isochore 7 afin de faciliter l'auto-inflammation le cas échéant. [0046] Dans une seconde variante de mise en oeuvre pour assurer l'excès de fluide, l'étape de balayage E5 est prolongée suffisamment pour qu'un excès de fluide puisse parvenir au sein de la chambre de combustion isobare 40. [0047] Dans un mode de mise en oeuvre, le conduit d'admission 74 et le conduit de re- foulement 76 jouent, avec la chambre de combustion isobare 40, le rôle de volume tampon pour le fonctionnement de la chambre de combustion isochore 7. [0048] En tout état de cause, aucune puissance mécanique n'est récupérée par la tur- bomachine 1 suite à la combustion à volume constant au sein de la chambre de combustion isochore 7. 9 [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]