Brevet FR3101377A1 — publié le 20210402

L’invention concerne un système (1) de production d’énergie électrique pour véhicule, notamment automobile, comportant une première turbomachine (10) comprenant un premier compresseur (21), une première turbine à gaz (11) et une première génératrice d’électricité (31), reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission de puissance, et une seconde turbomachine (20) comportant un second compresseur (22), une seconde turbine à gaz (12) et une seconde génératrice d’électricité (32), reliés ensemble au moyen d’un second arbre de transmission de puissance, ledit système (1) comportant au moins une chambre de combustion (50) caractérisé en ce qu’il comporte en outre un récupérateur (40) commun auxdites première et seconde turbomachines (10, 20), ledit système (1) étant apte à fonctionner uniquement avec la première turbomachine (10) dans un premier mode de fonctionnement et avec lesdites première et seconde turbomachines (10, 20) de manière combinée dans un second mode de fonctionnement. Figure 1 SYSTEME THERMODYNAMIQUE DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE METTANT EN ŒUVRE PLUSIEURS TURBOMACHINES COMPORTANT UN RECUPERATEUR COMMUN L’invention se rapporte à un système thermodynamique de production d’énergie électrique mettant en œuvre plusieurs turbomachines. Ce système est notamment destiné aux véhicules automobiles électriques ou hybrides. Afin de réduire les émissions polluantes provenant des véhicules à moteur, il est connu de l’art antérieur d’incorporer une turbine à gaz dans les systèmes de propulsion des véhicules hybrides. Pour se mouvoir, les véhicules hybrides utilisent soit l’énergie provenant d’un moteur thermique, ce dernier étant alimenté par un carburant, tel que le gasoil, l’essence, l’éthanol, le méthanol ou le gaz naturel, soit l’énergie électrique. L’énergie électrique peut être directement produite par un système de production d’électricité intégré au véhicule ou provenir de la batterie intégrée au véhicule. Certains véhicules hybrides sont également rechargeables. Les turbines à gaz ont ainsi pour rôle de produire cette énergie électrique et permettent de diminuer les émissions de dioxyde de carbone et d’autres polluants atmosphériques tels que les oxydes d’azote. Le cycle de Brayton est un cycle thermodynamique mettant en œuvre une turbine à gaz. Il présente des performances remarquables en termes de réduction de rejets polluants. Par exemple, il est connu de l’état de la technique un système de turbine à gaz mettant en œuvre un tel cycle, décrit dans la demande de brevet WO2011/152049, comprenant une unité de turbine à gaz comportant un premier compresseur pour comprimer un fluide de travail, une chambre de combustion dans laquelle un combustible est injecté dans le fluide de travail provenant du premier compresseur et brûlé, une première turbine d’expansion dilatant les gaz de combustion générés dans la chambre de combustion, la première turbine d’expansion étant reliée au premier compresseur par un premier arbre et un réservoir à combustible contenant le combustible pour alimenter la chambre de combustion. Le système de turbine à gaz comprend en outre un circuit de circulation de combustible permettant au combustible contenu dans le réservoir à combustible de circuler à travers celui-ci. Le fluide de travail, dont la pression a été augmentée au moyen du premier compresseur, est extrait de l’unité de turbine à gaz. Le système de turbine à gaz comprend également un générateur de fluide de refroidissement comprenant une unité de refroidissement apte à refroidir le fluide de travail extrait de l’unité de turbine à gaz au moyen du combustible lors de sa circulation dans le circuit de circulation de combustible et une seconde turbine d’expansion assurant l’expansion du fluide de travail sortant de l’unité de refroidissement. Il est également connu de l’art antérieur la demande de brevet WO2010/132439 divulguant la combinaison des principes d’un moteur à turbine à gaz et d’un système de transmission électrique. Cette demande de brevet divulgue plus précisément un procédé et un appareil permettant d’utiliser des éléments métalliques et céramiques afin de stocker de l’énergie thermique provenant d’un système de freinage par récupération. L’énergie électrique regénérée est utilisée pour fournir un stockage d’énergie supplémentaire par rapport aux procédés de stockage électrique conventionnels adaptés aux moteurs à turbine à gaz. Cette demande de brevet concerne l’obtention d’un frein moteur pour un moteur à turbine à gaz ainsi que la réduction de la consommation de carburant. Les dispositifs et les procédés de l’art antérieur proposent de stocker l’énergie électrique produite en excès dans des batteries, des éléments métalliques ou des éléments céramiques. L’inconvénient principale de ces solutions est d’augmenter la masse embarquée par les véhicules et, par conséquent, d’augmenter leur consommation énergétique. En outre, les batteries, les éléments métalliques et céramiques occupent un volume non négligeable dans les véhicules où ces solutions sont mises en œuvre. Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un système thermodynamique de production d’électricité pour véhicule plus léger et occupant moins d’espace que les systèmes conventionnels. Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un système de production d’énergie électrique pour véhicule, notamment automobile, comportant une première turbomachine comprenant un premier compresseur, une première turbine à gaz et une première génératrice d’électricité, reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission de puissance, et une seconde turbomachine comportant un second compresseur, une seconde turbine à gaz et une seconde génératrice d’électricité, reliés ensemble au moyen d’un second arbre de transmission de puissance, ledit système comportant au moins une chambre de combustion caractérisé en ce qu’il comporte en outre un récupérateur commun auxdites première et seconde turbomachines, ledit système étant apte à fonctionner uniquement avec la première turbomachine dans un premier mode de fonctionnement et avec lesdites première et seconde turbomachines de manière combinée dans un second mode de fonctionnement. Grâce au système selon l’invention, le véhicule a une masse embarquée plus faible qu’un véhicule mettant en œuvre un moteur à turbine à gaz classique. En outre, le système occupe un volume plus faible que les moteurs à turbine à gaz de l’art antérieur permettant ainsi d’intégrer de nouveaux composants dans le compartiment moteur du véhicule. Avantageusement, ladite chambre de combustion est commune auxdites première et seconde turbomachines. De cette manière, le volume et la masse du système selon l’invention sont plus faibles que dans les moteurs à turbine à gaz de l’état de la technique. De préférence, la première turbomachine comporte une première chambre de combustion et la seconde turbomachine comporte une seconde chambre de combustion. De préférence, ladite première turbomachine comprend un premier compresseur additionnel disposé en amont dudit premier compresseur et ladite seconde turbomachine comprend un second compresseur additionnel disposé en amont dudit second compresseur. De manière préférée, ledit système comporte en outre un échangeur de chaleur commun auxdites première et seconde turbomachines relié aux sorties desdits premier et second compresseurs additionnels et aux entrées desdits premier et second compresseurs. Selon un aspect préféré, l’échangeur de chaleur est un échangeur air/air ou air/eau. Avantageusement, ladite première turbomachine comprend une première turbine à gaz additionnelle disposée en aval de ladite première turbine à gaz et ladite seconde turbomachine comprend une seconde turbine à gaz additionnelle disposée en aval de ladite seconde turbine à gaz. De préférence, ledit système comporte en outre une boucle de chauffage de l’habitacle dudit véhicule reliée audit échangeur de chaleur. Selon un aspect préféré de l’invention, ladite première turbomachine comporte une première chambre de combustion additionnelle disposée en amont de ladite première turbine à gaz additionnelle et ladite seconde turbomachine comporte une seconde chambre de combustion additionnelle disposée en amont de ladite seconde turbine à gaz additionnelle. De préférence, ledit système est apte à produire une puissance électrique de 15 KW dans le premier mode de fonctionnement et de 25 KW dans le deuxième mode de fonctionnement. On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, plusieurs formes d’exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles : illustre schématiquement un système thermodynamique selon un premier mode de réalisation ; est une représentation schématique d’un système thermodynamique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; est une représentation schématique d’un système thermodynamique selon un troisième mode de réalisation de l’invention. En référence à la figure 1, il est représenté de manière schématique un système thermodynamique 1 de production d’énergie électrique selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Le système 1 comporte une première turbomachine 10 comprenant un premier compresseur 21, une première turbine à gaz 11 et une première génératrice d’électricité 31 reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission. Le système 1 comporte en outre une deuxième turbomachine 20 comprenant un second compresseur 22, une seconde turbine à gaz 12 et une seconde génératrice d’électricité 32 reliés ensemble au moyen d’un second arbre de transmission. Le système 1 comprend également un récupérateur 40, également appelé régénérateur, et une chambre de combustion 50 communs à ladite première turbomachine 10 et à la seconde turbomachine 20. Le récupérateur 40 permet d’améliorer le rendement du système 1 en réchauffant le fluide de travail sortant des premier et second compresseurs 21, 22. Les sorties des premier et second compresseurs 21, 22 sont reliées aux entrées d’une première vanne trois voies 401. La sortie de la première vanne 401 est reliée à l’entrée du récupérateur 40. La sortie du récupérateur 40 est reliée à l’entrée de la chambre de combustion 50. La sortie de la chambre de combustion 50 est reliée à l’entrée d’une deuxième vanne trois voies 402. L’une des sorties de ladite deuxième vanne trois voies 402 est reliée à l’entrée de la première turbine à gaz 11 et l’autre sortie est reliée à l’entrée de la seconde turbine à gaz 12. Les sorties des première et secondes turbines à gaz 11, 12 sont reliées aux entrées d’une troisième vanne trois voies 403. La sortie de la troisième vanne trois voies 403 est reliée au circuit d’échappement traversant le récupérateur 40 afin de récupérer une partie de la chaleur provenant des gaz d’échappement. Le système 1 est prévu pour opérer suivant un premier mode de fonctionnement lorsque que le besoin en puissance électrique est faible, par exemple 15 KW, et un second mode de fonctionnement lorsque le besoin en puissance électrique est élevé, par exemple 25 KW. Le premier mode de fonctionnement utilise uniquement la première turbomachine 10. Le second mode de fonctionnement utilise les première et seconde turbomachines 10,20 de manière combinée. Dans le premier mode de fonctionnement, le fluide de travail ne circule pas au sein de la seconde turbomachine 20 car une vanne 322 disposée à la sortie du second compresseur 22, une vanne 212 disposée en amont de la seconde turbine à gaz 12 et une vanne 312 disposée en aval de la seconde turbine à gaz 12 sont fermées. En revanche, une vanne 321 disposée à la sortie du premier compresseur 21, une vanne 211 disposée en amont de la première turbomachine 11 et une vanne 311 disposée en aval de la première turbomachine 11 sont ouvertes. Ainsi, le fluide de travail ne circule que dans la première turbomachine 10. Il est ainsi générée une faible puissance électrique. Dans un second mode de fonctionnement, toutes les vannes sont ouvertes permettant ainsi une circulation du fluide de travail dans la première turbomachine 10 et dans la seconde turbomachine 20. Il est par conséquent généré une puissance électrique élevée. Le récupérateur 40 est surdimensionné lorsque le système 1 met en œuvre uniquement le premier mode de fonctionnement. Le rendement de la première turbomachine 10 est par conséquent élevé. Le récupérateur 40 et la chambre de combustion 50 sont communs à la première turbomachine 10 et à la seconde turbomachine 20 permettant ainsi un gain de masse et d’espace dans le véhicule. Dans une alternative, chaque turbomachine possède sa propre chambre de combustion. Ainsi, la première turbomachine 10 possède une première chambre de combustion et la seconde turbomachine 20 possède une seconde chambre de combustion. Cette configuration présente l’avantage de pouvoir adapter la chambre de combustion en fonction des caractéristiques de la turbomachine associée, telles que la puissance électrique générée. En référence maintenant à la figure 2, il est représenté schématiquement un système 1 thermodynamique de production d’énergie électrique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Ce deuxième mode de réalisation est identique au premier mode de réalisation hormis que le système thermodynamique 1 comporte un double étage de compression, pour chaque turbomachine, refroidi par un échangeur de chaleur 60, air/air ou air/eau, appelé couramment intercooler. Ainsi, la première turbomachine 10 comporte en supplément, par rapport à la première turbomachine 10 du premier mode de réalisation, un premier compresseur additionnel 41 et la seconde turbomachine 20 comporte en supplément, par rapport à la seconde turbomachine 20 du premier mode de réalisation, un second compresseur additionnel 42. L’échangeur de chaleur 60 est commun aux première et seconde turbomachines 10, 20 et est disposé entre le premier compresseur additionnel 41 et le premier compresseur 21, et entre le second compresseur additionnel 42 et le second compresseur 22. L’échangeur de chaleur 60 est reliée aux sorties du premier et second compresseurs additionnels 41, 42 et aux entrées des premier et second compresseurs 21, 22. Cette configuration présente l’avantage d’améliorer le rendement énergétique du système thermodynamique 1 par rapport à celui décrit dans le premier mode de réalisation. Dans une alternative de ce deuxième mode de réalisation, chaque turbomachine possède sa propre chambre de combustion. Ainsi, la première turbomachine 10 possède une première chambre de combustion et la seconde turbomachine 20 possède une seconde chambre de combustion. De manière optionnelle, il est ajouté une boucle de chauffage reliée à l’échangeur de chaleur 60 afin de chauffer l’habitacle du véhicule, par exemple pendant la saison hivernale. En référence maintenant à la figure 3, il est représenté schématiquement un système 1 thermodynamique de production d’énergie électrique selon un troisième mode de réalisation de la présente invention. Ce troisième mode de réalisation est identique au deuxième mode de réalisation hormis que le système thermodynamique 1 comporte un double étage de détente pour chaque turbomachine. Ainsi, la première turbomachine 10 comporte en supplément, par rapport à la première turbomachine 10 du deuxième mode de réalisation, une première turbine à gaz additionnelle 51 et la seconde turbomachine 20 comporte en supplément, par rapport à la seconde turbomachine 20 du deuxième mode de réalisation, une seconde turbine à gaz 52 additionnelle. Il est également ajouté, par rapport au système thermodynamique 1 du deuxième mode de réalisation, une chambre de combustion additionnelle 70 commune aux première et seconde turbomachines 10, 20 disposée entre la première turbine à gaz additionnelle 51 et la première turbine à gaz 11, et entre la seconde turbine à gaz additionnelle 52 et la seconde turbine à gaz 12. Cette configuration présente l’avantage d’améliorer le rendement énergétique du système thermodynamique 1 par rapport à celui décrit dans le deuxième mode de réalisation. Dans un mode de réalisation alternatif, chaque turbomachine possède sa propre chambre de combustion ainsi que sa propre chambre de combustion additionnelle. Ainsi, la première turbomachine 10 possède une première chambre de combustion, disposée en amont de la première turbine à gaz 11, et une première chambre de combustion additionnelle, disposée en amont de la première turbine à gaz additionnelle 51, et la seconde turbomachine 20 possède une seconde chambre de combustion, disposée en amont de la seconde turbine à gaz 12 et une seconde chambre de combustion additionnelle, disposée en amont de la seconde turbine à gaz additionnelle 52. De manière optionnelle, il est ajouté une boucle de chauffage reliée à l’échangeur 60 afin de chauffer l’habitacle du véhicule, par exemple pendant la saison hivernale. Dans son premier mode de fonctionnement, l’invention permet avantageusement d’augmenter le rendement dudit récupérateur 40 ainsi que le rendement global dudit système 1. Dans un exemple de réalisation de l’invention, le récupérateur 40 et le système 1 présentent respectivement un rendement de 0,9 et de 0,455 dans le premier mode de fonctionnement et de 0,85 et de 0,432 dans le deuxième mode de fonctionnement. Ainsi, le système 1 selon l’invention a pour avantage, lorsque le besoin en puissance électrique est faible, de présenter un rendement élevé réduisant ainsi la consommation de carburant. Système (1) de production d’énergie électrique pour véhicule, notamment automobile, comportant une première turbomachine (10) comprenant un premier compresseur (21), une première turbine à gaz (11) et une première génératrice d’électricité (31), reliés ensemble au moyen d’un premier arbre de transmission de puissance, et une seconde turbomachine (20) comportant un second compresseur (22), une seconde turbine à gaz (12) et une seconde génératrice d’électricité (32), reliés ensemble au moyen d’un second arbre de transmission de puissance, ledit système (1) comportant au moins une chambre de combustion (50) caractérisé en ce qu’il comporte en outre un récupérateur (40) commun auxdites première et seconde turbomachines (10, 20), ledit système (1) étant apte à fonctionner uniquement avec la première turbomachine (10) dans un premier mode de fonctionnement et avec lesdites première et seconde turbomachines (10, 20) de manière combinée dans un second mode de fonctionnement. Système (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite chambre de combustion (50) est commune auxdites première et seconde turbomachines (10, 20). Système (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première turbomachine (10) comporte une première chambre de combustion et la seconde turbomachine (20) comporte une seconde chambre de combustion. Système (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite première turbomachine (10) comprend un premier compresseur additionnel (41) disposé en amont dudit premier compresseur (21) et ladite seconde turbomachine (20) comprend un second compresseur additionnel (42) disposé en amont dudit second compresseur (22). Système (1) selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit système (1) comporte en outre un échangeur de chaleur (60) commun auxdites première et seconde turbomachines (10, 20) relié aux sorties desdits premier et second compresseurs additionnels (41, 42) et aux entrées desdits premier et second compresseurs (21, 22). Système (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce que l’échangeur de chaleur (60) est un échangeur air/air ou air/eau. Système (1) selon l’une quelconque des revendications 5 à 6 caractérisé en ce que ladite première turbomachine (10) comprend une première turbine à gaz additionnelle (51) disposée en aval de ladite première turbine à gaz (11) et ladite seconde turbomachine (20) comprend une seconde turbine à gaz additionnelle (52) disposée en aval de ladite seconde turbine à gaz (12). Système (1) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que ledit système (1) comporte en outre une boucle de chauffage de l’habitacle dudit véhicule reliée audit échangeur de chaleur (60). Système (1) selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite première turbomachine (10) comporte une première chambre de combustion additionnelle disposée en amont de ladite première turbine à gaz additionnelle (51) et ladite seconde turbomachine (20) comporte une seconde chambre de combustion additionnelle disposée en amont de ladite seconde turbine à gaz additionnelle (52). Système (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit système (1) est apte à produire une puissance électrique de 15 KW dans le premier mode de fonctionnement et de 25 KW dans le deuxième mode de fonctionnement.