Brevet FR3107558A1 — publié le 20210827

L’invention concerne un système (1) thermodynamique pour véhicule, notamment automobile, comportant un récupérateur (30), une première turbomachine (10) comprenant au moins un premier compresseur (11) et une première machine électrique (14) et une deuxième turbomachine (20) comprenant au moins une turbine (21) et une deuxième machine électrique (24), deux chambres de combustion (16, 26) et un refroidisseur intermédiaire (13), caractérisé en ce que ladite deuxième turbomachine (20) comporte une turbine supplémentaire (22) , ladite première turbomachine (10) comportant en outre un compresseur additionnel (12), un premier arbre de transmission (15) reliant ledit premier compresseur (11) et ladite première machine électrique (14) et ladite deuxième turbomachine (20) comportant en outre un deuxième arbre de transmission (25) reliant ladite turbine (21), ladite deuxième machine électrique (24) et ladite turbine supplémentaire (22). Fig. 1 SYSTEME THERMODYNAMIQUE COMPORTANT DEUX TURBOMACHINES PRESENTANT CHACUNE UN ARBRE DE TRANSMISSION ET UNE MACHINE ELECTRIQUE L’invention se rapporte à un système thermodynamique mettant en œuvre plusieurs turbomachines. Ce système est notamment destiné aux véhicules 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 turbogénérateurs, par exemple composés d’une turbine à gaz et d’une génératrice d’électricité, 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 principal 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 pour véhicule présentant un haut rendement énergétique tout en occupant un moindre volume comparé aux systèmes de l’art antérieur. Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un système thermodynamique pour véhicule, notamment automobile, comportant une première turbomachine comprenant au moins un compresseur et une première machine électrique et une deuxième turbomachine comprenant au moins une turbine et une deuxième machine électrique, caractérisé en ce que ladite deuxième turbomachine comporte une première turbine additionnelle ou un premier compresseur additionnel, ladite première turbomachine comportant en outre un premier arbre de transmission reliant ledit au moins compresseur et ladite première machine électrique et ladite deuxième turbomachine comportant en outre un deuxième arbre de transmission reliant ladite turbine, ladite deuxième machine électrique et ladite première turbine additionnelle ou ledit premier compresseur additionnel. Grâce au système thermodynamique selon l’invention, le système occupe un volume moins important que les systèmes de l’art antérieur. De préférence, ladite première turbomachine et ladite deuxième machine turbomachine sont reliées via au moins une chambre de combustion. Avantageusement, ladite première turbomachine comporte en outre un deuxième compresseur additionnel relié audit premier arbre de transmission, ladite deuxième turbomachine comportant ladite première turbine additionnelle et ledit système comportant une première chambre de combustion disposée entre ledit deuxième compresseur additionnel et ladite turbine et une deuxième chambre de combustion disposée entre ladite turbine et ladite première turbine additionnelle. Avantageusement, ladite première turbomachine comporte en outre une deuxième turbine additionnelle reliée audit premier arbre de transmission, ladite deuxième turbomachine comportant ledit premier compresseur additionnel et ledit système comportant une première chambre de combustion disposée entre ledit premier compresseur additionnel et ladite deuxième turbine additionnelle et une deuxième chambre de combustion disposée entre ladite deuxième turbine additionnelle et ladite turbine. De préférence, ledit système comporte un refroidisseur intermédiaire disposé entre ledit compresseur et ledit deuxième compresseur additionnel. De préférence, ledit système comporte un refroidisseur intermédiaire disposé entre ledit compresseur et ledit premier compresseur additionnel. Avantageusement, ledit système comporte un récupérateur commun à ladite première turbomachine et à ladite deuxième turbomachine. Avantageusement, ledit système comporte un récupérateur commun à ladite première turbomachine et à ladite deuxième turbomachine. Avantageusement, lesdites première et deuxième machines électriques sont aptes à produire de l’énergie électrique ou de l’énergie mécanique. Avantageusement, ladite turbine et ladite première turbine additionnelle ont une température de fonctionnement égale ou supérieure à 950°C. L’invention concerne également un véhicule, notamment automobile, remarquable en ce qu’il comporte ledit système décrit précédemment. 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 de l’invention; illustre schématiquement un système thermodynamique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention; En référence à la figure 1, il est représenté schématiquement un système thermodynamique 1. Le système 1 comporte une première turbomachine 10 comprenant un premier compresseur 11, une première machine électrique 14, qui est un moteur électrique, et un deuxième compresseur additionnel 12, reliés ensemble par un premier arbre de transmission 15. Dans un mode de réalisation particulier, un refroidisseur intermédiaire 13 est relié à la sortie du compresseur 11 et à l’entrée du deuxième compresseur additionnel 12. Le refroidisseur intermédiaire 13 est aussi appelé échangeur de chaleur, il permet avantageusement d’évacuer la chaleur du fluide de travail vers l’extérieur et abaisse ainsi la température dudit fluide de travail. Le système 1 comporte en outre une deuxième turbomachine 20 comprenant une turbine 21, une deuxième machine électrique 24, qui est une génératrice d’électricité, et une première turbine additionnelle 22 reliés ensemble au moyen d’un deuxième arbre de transmission 25. Avantageusement, ce deuxième arbre de transmission 25 permet d’obtenir un système 1 moins volumineux. Un autre avantage est de séparer la première turbomachine 10 et la deuxième turbomachine 20 permettant ainsi une meilleure adaptation aux variations de puissance demandées par le conducteur du véhicule. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les premier et deuxième arbres de transmission 15, 25 sont disposés parallèlement l’un par rapport à l’autre, afin de diminuer le volume occupé par le système 1 Avantageusement une première chambre de combustion 16 est disposée entre le deuxième compresseur additionnel 12 et la turbine 21, ce qui permet d’augmenter la température du fluide de travail. Avantageusement, une deuxième chambre de combustion 26 relie la turbine 21 et la première turbine additionnelle 22, ce qui permet une nouvelle fois d’augmenter la température du fluide de travail. Avantageusement le système 1 comprend également un récupérateur 30 disposé entre le deuxième compresseur additionnel 12 et la turbine 21. Le récupérateur 30 est également relié à la première turbine additionnelle 22, un premier flux dudit fluide de travail traverse ainsi le récupérateur 30 provenant du deuxième compresseur additionnel 12 et circule vers la turbine 21 et un deuxième flux du fluide de travail traverse le récupérateur 30 provenant de la première turbine additionnelle 22. La température du fluide de travail provenant de la première turbine additionnelle 22 étant plus importante que la température du fluide de travail provenant du deuxième compresseur additionnel 12, le récupérateur 30 permet d’augmenter la température du fluide de travail avant le passage du fluide de travail dans la turbine 21. Le fluide de travail transite tout d’abord par le premier compresseur 11 qui le compresse, permettant ainsi d’augmenter la pression du fluide de travail puis le fluide de travail est refroidi par le refroidisseur intermédiaire 13 puis le fluide de travail transite par le deuxième compresseur additionnel 12, permettant d’augmenter encore la pression du fluide de travail. Le récupérateur 30 permet d’améliorer le rendement dudit système 1 en réchauffant le fluide de travail sortant du premier compresseur 11 et du deuxième compresseur additionnel 12 grâce au fluide de travail provenant de la première turbine additionnelle 22 qui est à une température plus élevée. Dans un mode de réalisation particulier, la température du fluide de travail est une nouvelle fois augmentée lors de sa traversée dans la chambre de combustion 16. Ensuite le fluide de travail se déplace vers la deuxième turbomachine 20. Le fluide de travail traverse la turbine 21 et subit une première détente. La température du fluide de travail est de nouveau augmentée par la seconde chambre de combustion 26. Ensuite le fluide de travail traverse la première turbine additionnelle 22 et subit une détente, qui est une détente complète, c’est à dire jusqu’à atteindre la pression atmosphérique. La première détente et la deuxième détente permettent à la turbine 21 et à la première turbine additionnelle 22 de se mettre en action et de permettre la production d’électricité avec la génératrice d’électricité 24. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la machine électrique 14 est un moteur électrique permettant de faire tourner le premier compresseur 11 et le deuxième compresseur additionnel 12. Dans un autre mode de réalisation de l’invention, la machine électrique 24 est une génératrice d’électricité, récupérant le travail fourni par la turbine 21 et la première turbine additionnelle 22. L’utilisation de la machine électrique 14 et de la machine électrique 24 avec les premier et deuxième arbres de transmission 15, 25 distincts permet d’ajuster le régime de rotation des compresseurs indépendamment du régime de rotation des turbines. Dans un autre mode de réalisation particulier de l’invention, le système 1 ne comporte pas de récupérateur 30. En référence à la figure 2, il est représenté de manière schématique un système thermodynamique 100. Le système 100 comporte une première turbomachine 110 comprenant un premier compresseur 111, une première machine électrique 114 et une deuxième turbine additionnelle 121, reliés ensemble par un premier arbre de transmission 115. Dans un mode de réalisation particulier, un refroidisseur intermédiaire 113 est relié à la sortie du premier compresseur 111 et à l’entrée d’un premier compresseur additionnel 112. Le refroidisseur intermédiaire 113 est aussi appelé échangeur de chaleur, il permet avantageusement d’évacuer la chaleur du fluide de travail vers l’extérieur et abaisse ainsi la température du fluide de travail. Le système 100 comporte en outre une deuxième turbomachine 120 comprenant le premier compresseur additionnel 112, une deuxième machine électrique 124 et une turbine 122 reliés ensemble au moyen d’un deuxième arbre de transmission 125. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les premier et deuxième arbres de transmission 115, 125 sont disposés parallèlement l’un par rapport à l’autre, afin de diminuer le volume occupé par le système 100. Avantageusement une première chambre de combustion 116 est disposée entre le premier compresseur additionnel 112 et la deuxième turbine additionnelle 121, ce qui permet d’augmenter la température du fluide de travail. Avantageusement, une deuxième chambre de combustion 126 relie la deuxième turbine additionnelle 121 et la turbine 122, ce qui permet une nouvelle fois d’augmenter la température du fluide de travail. Avantageusement le système 100 comprend également un récupérateur 130 disposé entre le premier compresseur additionnel 112 et ladite deuxième turbine additionnelle 121. Le récupérateur 130 est également relié à la turbine 122. Un premier flux dudit fluide de travail traverse ledit récupérateur 130 provenant dudit premier compresseur additionnel 112 et circule vers ladite deuxième turbine additionnelle 121 et un deuxième flux dudit fluide de travail traverse ledit récupérateur 130 provenant de ladite turbine 122. La température du fluide de travail provenant de la turbine 122 étant plus importante que la température du fluide de travail provenant du premier compresseur additionnel 112, le récupérateur 130 permet ainsi d’augmenter la température du fluide de travail avant le passage du fluide de travail dans la deuxième turbine additionnelle 121. Le fluide de travail transite tout d’abord par le premier compresseur 111 qui le compresse, permettant ainsi d’augmenter la pression du fluide de travail puis le fluide de travail est refroidi par le refroidisseur intermédiaire 113 puis le fluide de travail transite par le premier compresseur additionnel 112, permettant d’augmenter encore la pression du fluide de travail. Le récupérateur 130 permet d’améliorer le rendement du système 100 en réchauffant le fluide de travail sortant du premier compresseur 111 et du premier compresseur additionnel 112 grâce au fluide de travail provenant de ladite turbine 122 qui est à une température plus élevée. Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la température du fluide de travail est une nouvelle fois augmentée lors de sa traversée dans la chambre de combustion 116. Ensuite le fluide de travail traverse la deuxième turbine additionnelle 121 et subit une première détente. Ensuite le fluide de travail traverse la turbine 122 et subit une détente, qui est une détente complète, c’est à dire jusqu’à atteindre la pression atmosphérique. La première détente et la deuxième détente permettent respectivement à la deuxième turbine additionnelle 121 et la turbine 122 de se mettre en action. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la première machine électrique 114 fonctionne selon un premier mode, et produit de l’énergie mécanique, en tant que moteur électrique, permettant ainsi de faire tourner le premier compresseur 111. Dans un autre mode particulier de réalisation de l’invention, la première machine électrique 114 fonctionne selon un deuxième mode, et produit de l’énergie électrique, en tant que génératrice d’électricité, en récupérant le travail fourni par la deuxième turbine additionnelle 121. Dans un autre mode de réalisation de l’invention, la première machine électrique 114 est apte à fonctionner soit en tant que moteur électrique soit en tant que génératrice d’électricité, ce mode de réalisation permettant un gain de volume et de masse avec une première machine électrique 114 apte à fonctionner selon deux modes de fonctionnement. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la deuxième machine électrique 124 fonctionne selon un premier mode, et produit de l’énergie mécanique, en tant que moteur électrique permettant de faire tourner le premier compresseur additionnel 112. Dans un autre mode de réalisation particulier de l’invention, la deuxième machine électrique 124 fonctionne selon un deuxième mode, et produit de l’énergie électrique, en tant que génératrice d’électricité, récupérant le travail fourni par la turbine 122. Dans un autre mode de réalisation particulier de l’invention, la deuxième machine électrique 124 est apte à fonctionner soit en tant que moteur électrique soit en tant que génératrice d’électricité, ce mode de réalisation permettant un gain de volume et de masse en cumulant les modes de fonctionnement pour la deuxième machine électrique 124. Dans encore un autre mode de réalisation particulier, le système 100 ne comporte pas de récupérateur 130. Dans un mode de réalisation particulier, les diverses turbines 21, 121, 22, 122 , sont de conception axiale, ainsi la direction de l’écoulement du fluide de travail est principalement orientée suivant l’axe de rotation de la turbine. Dans un autre mode de réalisation particulier, les diverses turbines 21, 121, 22, 122 sont de conception radiale, ainsi la direction de l’écoulement du fluide de travail suit des trajectoires dans des plans perpendiculaires à l’axe de rotation. Dans un mode de réalisation préféré, les diverses turbines 21, 121, 22, 122 sont des turbines à gaz. Dans un autre mode de réalisation préféré, les diverses turbines 21, 121, 22, 122 ont une température de fonctionnement égale ou supérieure à 950°C. La présente invention peut être mise en œuvre dans des véhicules hybrides comportant un moteur thermique de type essence ou diesel. Système (1, 100) thermodynamique pour véhicule, notamment automobile, comportant une première turbomachine (10, 110 ) comprenant au moins un compresseur (11, 111) et une première machine électrique (14, 114) et une deuxième turbomachine (20, 120) comprenant au moins une turbine (21, 22, 122) et une deuxième machine électrique (24, 124), caractérisé en ce que ladite deuxième turbomachine (20, 120) comporte une première turbine additionnelle (21, 22, 122) ou un premier compresseur additionnel (112), ladite première turbomachine (10 , 110) comportant en outre un premier arbre de transmission (15, 115) reliant ledit au moins compresseur (11, 111) et ladite première machine électrique (14, 114) et ladite deuxième turbomachine (20, 120) comportant en outre un deuxième arbre de transmission (25, 125) reliant ladite turbine (21, 22, 122), ladite deuxième machine électrique (24, 124) et ladite première turbine additionnelle (21, 22, 122) ou ledit premier compresseur additionnel (112). Système (1, 100) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite première turbomachine (10, 110) et ladite deuxième machine turbomachine (20, 120) sont reliées via au moins une chambre de combustion (16, 116, 126). Système (1, 100) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite première turbomachine (10) comporte en outre un deuxième compresseur additionnel (12) relié audit premier arbre de transmission (15), ladite deuxième turbomachine comportant ladite première turbine additionnelle (22) et ledit système (1, 100) comportant une première chambre de combustion (16) disposée entre ledit deuxième compresseur additionnel (12) et ladite turbine (21) et une deuxième chambre de combustion (26) disposée entre ladite turbine (21) et ladite première turbine additionnelle (22). Système (1, 100) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite première turbomachine (110) comporte en outre une deuxième turbine additionnelle (121) reliée audit premier arbre de transmission (115), ladite deuxième turbomachine comportant ledit premier compresseur additionnel (112) et ledit système (1, 100) comportant une première chambre de combustion (116) disposée entre ledit premier compresseur additionnel (112) et ladite deuxième turbine additionnelle (121) et une deuxième chambre de combustion (126) disposée entre ladite deuxième turbine additionnelle (121) et ladite turbine (122). Système (1, 100) selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit système (1, 100) comporte un refroidisseur intermédiaire (13) disposé entre ledit compresseur (11) et ledit deuxième compresseur additionnel (12). Système (1, 100) selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit système (1, 100) comporte un refroidisseur intermédiaire (113) disposé entre ledit compresseur (111) et ledit premier compresseur additionnel (112). Système (1, 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit système (1, 100) comporte un récupérateur (30, 130) commun à ladite première turbomachine (10, 110) et à ladite deuxième turbomachine (20, 120). Système (1, 100) selon l’une des revendications 1, 2 ou 4 caractérisé en ce que ladite première machine électrique (14) est un moteur électrique et ladite deuxième machine électrique (24) est une génératrice d’électricité. Système (1, 100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé lesdites première et deuxième machines électriques (14, 114, 24, 124) sont aptes à produire de l’énergie électrique ou de l’énergie mécanique. Véhicule, notamment automobile, caractérisé en ce qu’il comporte ledit système (1, 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes.