Brevet FR3102804A1 — publié le 20210507

L’invention concerne un groupe motopropulseur (1) pour des avions, présentant au moins un arbre (2) et une turbine à gaz (3) avec un compresseur (4) servant à comprimer du gaz et une turbine (5), le compresseur (4) et la turbine (5) étant reliés de manière solidaire en rotation à l’au moins un arbre (2), et une chambre de combustion (6), présentant par ailleurs au moins une pile à combustible (7). L’invention vise à créer un groupe motopropulseur dont le rendement est augmenté et qui présente dans le même temps une configuration peu encombrante. L’invention propose à cet effet que la turbine à gaz (3) et la au moins une pile à combustible (7) soient reliées l’une à l’autre de telle manière que du gaz (15) comprimé dans l’état de fonctionnement provenant de la turbine à gaz (3) peut être amené à la au moins une pile à combustible (7). Figure de l’abrégé : Figure 1 Groupe motopropulseur pour avions et procédé de fonctionnement La présente invention concerne un groupe motopropulseur pour des avions présentant au moins un arbre et une turbine à gaz avec un compresseur servant à comprimer du gaz et une turbine, le compresseur et la turbine étant reliés de manière solidaire en rotation au au moins un arbre, ainsi qu’avec une chambre de combustion, présentant par ailleurs au moins une pile à combustible. L’invention concerne également un procédé servant à faire fonctionner un groupe motopropulseur de ce type. La présente divulgation relève du domaine des groupes motopropulseurs pour avions. Lors du fonctionnement de groupes motopropulseurs d’avion, leur efficacité ou leur rendement revêt une importance majeure dans la mesure où cela va de pair avec la consommation de carburant et avec la production de gaz d’échappement nocifs. Pour alimenter des systèmes électriques embarqués d’un avion, il est connu de recourir à l’énergie mécanique de la turbine et en transformer une partie en de l’énergie électrique requise par l’intermédiaire de générateurs. Une telle transformation est préjudiciable au rendement de la turbine et conduit à une augmentation de la consommation de carburant. Par ailleurs, il est connu d’utiliser des piles à combustible dans des avions pour alimenter en énergie par exemple la cabine d’avion lorsque l’avion se trouve au sol. Ces piles à combustible présentent la majeure partie du temps un réservoir séparé, en particulier d’hydrogène, ce qui se traduit par un besoin de place supplémentaire important et une charge supplémentaire. Par ailleurs, l’efficacité desdites piles à combustible est faible. Résumé La présente invention a par voie de conséquence pour objectif de fournir un groupe motopropulseur pour des avions, dans lequel le rendement est augmenté et qui présente dans le même temps une configuration compacte. De même, la présente invention a pour objectif de proposer un procédé servant à faire fonctionner un groupe motopropulseur optimisé de manière correspondante. L’objectif visant un groupe motopropulseur est atteint grâce à un groupe motopropulseur du type mentionné en introduction, dans lequel la turbine à gaz et la au moins une pile à combustible sont reliés l’un à l’autre de telle manière que du gaz comprimé dans l’état de fonctionnement provenant de la turbine à gaz peut être amené à la au moins une pile à combustible. Dans ce cadre, la turbine à gaz présente un ensemble sensiblement courant dans l’état de la technique composé d’un compresseur, d’une chambre de combustion et d’une turbine avec au moins un arbre. En variante, la turbine à gaz peut présenter plusieurs arbres, compresseurs, chambres de combustion et/ou turbines. Dans ce cadre, le compresseur et la turbine sont selon l’invention reliés par paire de manière solidaire en rotation à un arbre de sorte qu’une rotation de la turbine favorise une rotation du compresseur, et inversement. Si plusieurs arbres sont prévus, un compresseur et une turbine à gaz sont respectivement reliés selon l’invention à un arbre. On entend par compresseurs/turbines en particulier un ou plusieurs étages de compresseur/de turbine radiaux ou axiaux disposés les uns derrière les autres. Des étages axiaux sont constitués d’un montage en aval de pales rotatives et de pales de « stator » stationnaires. Des étages radiaux se présentent généralement sans stators. L’alimentation selon l’invention de la pile à combustible en gaz comprimé ou en air comprimé provenant de la turbine à gaz conduit par l’intermédiaire de l’apport en oxygène augmenté à une augmentation considérable du rendement et de la densité de puissance de la pile à combustible. Dans le même temps, on renonce selon l’invention à un ensemble compresseur supplémentaire en ce qu’une alimentation de la pile à combustible en air comprimé provenant de la turbine à gaz a lieu. Ainsi, l’invention permet une augmentation de l’efficacité de la pile à combustible tout en réduisant dans le même temps le besoin de place. Il est prévu dans la configuration du groupe motopropulseur selon l’invention qu’il présente des moyens servant à acheminer un gaz d’échappement de la pile à combustible devant et/ou dans et/ou après la chambre de combustion dans la turbine à gaz, ainsi que dans et/ou après la turbine 5. Le gaz d’échappement de la pile à combustible possède une énergie thermique sous la forme de chaleur perdue. L’énergie thermique se retrouve dans un besoin inférieur de combustion de carburant de la turbine à gaz dans la mesure où une quantité moins importante d’énergie est nécessaire pour atteindre une température d’entrée de turbine ciblée. Une séparation consécutive du gaz d’échappement provenant du groupe motopropulseur est effectuée ensuite conjointement avec le mélange de gaz composé d’air et de kérosène brûlé. Il est prévu dans un perfectionnement de l’invention que la pile à combustible présente un reformeur servant à alimenter la pile à combustible en combustible, en particulier en hydrogène. Pour faire fonctionner la pile à combustible, de l’hydrogène est requis, lequel peut être obtenu dans le présent exemple de réalisation à partir de kérosène par exemple par un reformeur. Cela a pour avantage que d’autres substances éventuelles contenant de l’hydrogène ne doivent pas être transportées séparément et que peut être utilisé en tant que combustible exclusivement du kérosène, lequel est de toutes les façons requis pour la turbine à gaz. Il est prévu dans une configuration de l’invention qu’il présente un post-brûleur servant à brûler du combustible résiduel non brûlé de la pile à combustible, et/ou qu’il présente des moyens servant à acheminer le combustible résiduel dans la chambre de combustion. Ainsi, l’énergie chimique contenue dans le combustible résiduel est transformée par la combustion. Un post-brûleur est alors en particulier avantageux quand le gaz d’échappement de la pile à combustible est amené après la chambre de combustion, devant, dans ou après la turbine à la turbine à gaz et qu’ainsi le combustible résiduel n’est pas brûlé lui-même dans la chambre de combustion. De plus, une amenée des combustibles résiduels dans la chambre de combustion de la turbine à gaz renferme dans des circonstances données des impondérables ou des risques dans la mesure où le kérosène présente une température de combustion différente de l’hydrogène et qu’un mélange des deux substances conduit à des paramètres de combustion différents dans la chambre de combustion. Une partie non transformée dans le reformeur d’un carburant amené peut être brûlée dans le post-brûleur. Il est prévu dans une configuration de l’invention que la pile à combustible est réalisée pour alimenter au moins en partie des sous-systèmes en une énergie produite dans la pile à combustible. Dans ce cadre, on entend par sous-systèmes par exemple l’électronique embarquée de l’avion ou plus généralement tous les consommateurs électriques dans des avions. Ainsi, la nécessité d’un générateur transformant l’énergie mécanique de la turbine pour produire l’énergie électrique requise pour les sous-systèmes disparaît. Une transformation correspondante est préjudiciable pour le rendement de la turbine. La combinaison selon l’invention de piles à combustible en revanche utilise seulement l’énergie chimique présente de toutes les façons dans le carburant pour faire fonctionner le groupe motopropulseur ainsi que l’air comprimé de la turbine à gaz directement, ce qui a pour effet qu’une étape intermédiaire portant atteinte au rendement est inutile lors de la transformation en énergie électrique. Il est prévu dans une configuration du groupe motopropulseur selon l’invention qu’il présente au moins un moteur électrique, la pile à combustible 7 étant disposée en particulier aux fins de son alimentation en énergie et/ou le moteur électrique étant disposé pour entraîner au moins indirectement l’arbre 2. Ainsi, un entraînement combiné de la turbine à partir du moteur électrique et de la turbine à gaz est rendu possible, lequel augmente la flexibilité du groupe motopropulseur. En particulier, un entraînement combiné à partir du moteur électrique et de la turbine à gaz est avantageux dans des états opérationnels, dans lesquels une puissance de propulsion importante est requise, par exemple lors de la montée. Par ailleurs, la combinaison de la pile à combustible et du moteur électrique augmente l’efficacité de l’ensemble du système et évite des temps morts, au cours desquels l’énergie de la pile à combustible est requise seulement pour d’autres systèmes de l’avion. L’invention prévoit à cet effet également un accumulateur d’énergie intercalé, dans lequel l’énergie issue de la pile à combustible peut être stockée temporairement si besoin et de l’énergie peut si besoin en être évacuée dans des moteurs électriques ou dans d’autres systèmes de l’avion. Par ailleurs, il est prévu que respectivement un arbre peut être entraîné au moins indirectement exclusivement par un moteur électrique. Cela permet un fonctionnement particulièrement flexible du groupe motopropulseur, un entraînement de l’arbre étant effectué selon les besoins au choix exclusivement par la puissance de combustion des turbines à gaz, exclusivement par le moteur électrique dans le cas d’un ralentissement ou d’un arrêt total de la turbine à gaz ou par une combinaison des deux modes de fonctionnement mentionnés ci-avant. Ainsi, il suffit, dans des états de fonctionnement, dans lesquels seulement une puissance de propulsion faible doit être produite, par exemple lors de la descente d’entraîner l’arbre exclusivement par le moteur électrique de sorte que de l’air comprimé peut être amené à la pile à combustible par ailleurs par le compresseur. En revanche, un entraînement combiné à partir du moteur électrique et de la turbine à gaz ou exclusivement par la turbine à gaz est avantageux dans des états de fonctionnements, dans lesquels une puissance de propulsion importante est requise, par exemple lors de la montée. Il est prévu dans un perfectionnement de l’invention que le groupe motopropulseur présente une roue à aubes reliée de manière solidaire en rotation à l’arbre et est configuré en particulier en tant que groupe motopropulseur à faisceau d’enveloppe ou turbopropulseur. Dans une configuration de ce type du groupe motopropulseur, l’énergie mécanique dans les arbres peut être utilisée à la fois par la roue à aubes et par l’air chaud accéléré provenant de la turbine pour la puissance de propulsion. Globalement, l’efficacité du système global en est ainsi améliorée. Pour résoudre le problème lié au procédé, l’invention propose pour un fonctionnement d’un groupe motopropulseur selon l’invention que des sous-systèmes soient alimentés avec une énergie produite par la pile à combustible. L’alimentation des sous-systèmes électrique en énergie électrique produite dans la pile à combustible est sensiblement plus efficace en termes de rendement de la turbine par rapport à un générateur requis autrement. Aucun découplage supplémentaire, sujet à l’usure, d’une partie de l’énergie mécanique de la turbine à gaz ou de l’arbre ne doit avoir lieu. Cela augmente le rendement et la sécurité de fonctionnement de la turbine globalement. La présente invention est décrite à titre d’exemple dans un mode de réalisation préféré en faisant référence à la figure suivante, sur laquelle on peut voir : Fig. 1 une vue schématique d’un mode de réalisation préféré d’un groupe motopropulseur selon l’invention. La illustre une vue schématique d’un groupe motopropulseur 1 selon l’invention. Le groupe motopropulseur 1 présente dans le mode de réalisation illustré un arbre 2 et une turbine à gaz 3, la turbine à gaz 3 étant formée à partir d’un compresseur 4 et d’une turbine 5, lesquels sont reliés de manière solidaire en rotation à l’arbre 2, ainsi qu’à partir d’une chambre de combustion 6, dans laquelle, dans l’état de fonctionnement du groupe motopropulseur, du carburant 11, en particulier du kérosène, est introduit et brûlé. Un flux d’air est reçu dans le groupe motopropulseur 1 au niveau d’une extrémité faisant face à la turbine 5 et est acheminé dans le système. Le flux d’air est comprimé par le compresseur 4. Du gaz 15 comprimé de cette manière est acheminé dans la chambre de combustion 6, où il est mélangé à un combustible, lequel est pulvérisé de préférence dans la chambre de combustion 6, et est enflammé conjointement. Le gaz chauffé est par la suite guidé à travers la turbine 5, dans laquelle du gaz entraîne la turbine. Le mélange sortant au niveau de l’extrémité de turbine du groupe motopropulseur 1 donne lieu à cet effet à une propulsion, grâce à laquelle le groupe motopropulseur 1 entraîne le véhicule ou l’avion qui en est pourvu. Pour une propulsion supplémentaire, une roue à aubes 10 peut être prévue, laquelle se trouve au niveau de l’extrémité, faisant face à la turbine 5, du groupe motopropulseur 1 et est reliée de manière solidaire en rotation à l’arbre 2. Par la liaison solidaire en rotation de la turbine 5 et du compresseur 4 à l’arbre 2, la roue à aubes 10 est entraînée par la turbine 5. La roue à aubes 10 est ce faisant réalisée de telle sorte qu’il en résulte un mouvement de rotation de celle-ci lors d’une autre propulsion du groupe motopropulseur 1. Par ailleurs, une pile à combustible 7 est prévue dans le groupe motopropulseur 1, laquelle est logée en particulier dans la turbine à gaz 3 ou est reliée de manière active au moins à celle-ci. La pile à combustible 7 est alimentée en un combustible, en particulier en hydrogène 17, lequel peut être prélevé soit d’un réservoir d’hydrogène entraîné séparément, d’un reformeur 9 ou d’une autre source. Un reformeur 9 est ce faisant particulièrement avantageux dans la mesure où celui-ci peut transformer le carburant 11, par exemple du kérosène, lequel est employé typiquement dans un avion, en hydrogène 17 et en produits résiduels. Dans ce cadre, les produits résiduels peuvent être séparés, tandis que l’hydrogène 17 est amené en tant que combustible à la pile à combustible 7 et est mis en réaction dans celle-ci. Pour le fonctionnement de la pile à combustible 7, une partie du gaz 15 comprimé par le compresseur 4 est introduite en tant qu’air de prélèvement 18 dans la pile à combustible 7. La compression permet d’atteindre une quantité en oxygène plus élevée sur un volume plus petit de sorte que globalement la quantité d’oxygène dans la pile à combustible 7 est augmentée en comparaison avec un fonctionnement avec un flux d’air non comprimé. Les gaz d’échappement et en particulier la chaleur perdue 13 contenue dans ceux de la pile à combustible 7 sont ramenés ensuite dans le système et sont mélangés, sur la réalisation illustrée, au flux d’air dans la chambre de combustion 6. Du combustible résiduel 16 issu de la pile à combustible 7 ou du reformeur 9 est acheminé sous la forme d’hydrogène 17 ou de carburant 11 dans la chambre de combustion 6 et y est brûlé. De l’énergie électrique 12, qui est produite par la pile à combustible 7, est utilisée en particulier pour alimenter des sous-systèmes 8, tels que par exemple l’électronique embarquée, ce qui a pour effet que d’autres transformations moins efficaces de l’énergie mécanique 14 de l’arbre 2 et de la turbine à gaz 3 en énergie électrique, tel que par exemple par un générateur, sont inutiles. 1 Groupe motopropulseur 2 Arbre 3 Turbine à gaz 4 Compresseur 5 Turbine 6 Chambre de combustion 7 Pile à combustible 8 Sous-système 9 Reformeur 10 Roue à aubes 11 Carburant 12 Énergie électrique 13 Chaleur perdue 14 Énergie mécanique 15 Gaz comprimé 16 Combustible résiduel 17 Hydrogène 18 Air de prélèvement. Groupe motopropulseur (1) pour avions, présentant au moins un arbre (2) et une turbine à gaz (3) avec un compresseur (4) servant à comprimer du gaz et une turbine (5), dans lequel le compresseur (4) et la turbine (5) sont reliés de manière solidaire en rotation au au moins un arbre (2), et avec une chambre de combustion (6), présentant par ailleurs au moins une pile à combustible (7), caractérisé en ce que la turbine à gaz (3) et la au moins une pile à combustible (7) sont reliées l’une à l’autre de telle manière que du gaz comprimé (15) dans l’état de fonctionnement provenant de la turbine à gaz (3) peut être amené à la au moins une pile à combustible (7). Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il présente des moyens servant à acheminer un gaz d’échappement de la pile à combustible (3) devant et/ou dans et/ou après la chambre de combustion (6). Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens servent également à acheminer un gaz d’échappement de la pile à combustible (3) dans et/ou après la turbine (5) dans la turbine à gaz (3). Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la pile à combustible (7) présente un reformeur (9) servant à alimenter la pile à combustible (7) en combustible, en particulier en hydrogène (17). Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu’il présente un post-brûleur servant à brûler du combustible résiduel (16) non brûlé de la pile à combustible (7), et/ou qu’il présente des moyens servant à acheminer le combustible résiduel (16) dans la chambre de combustion (6). Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pile à combustible (7) est réalisée pour alimenter au moins en partie des sous-systèmes (8) avec l’énergie produite dans la pile à combustible (7). Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il présente au moins un moteur électrique, dans lequel la pile à combustible (7) est disposée en particulier aux fins de son alimentation en énergie et/ou dans lequel le moteur électrique est disposé pour entraîner au moins indirectement l’arbre (2). Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que respectivement un arbre (2) peut être entraîné au moins indirectement exclusivement par un moteur électrique. Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe motopropulseur (1) présente une roue à aubes (10) reliée de manière solidaire en rotation à l’arbre (2) et est configuré en particulier en tant que groupe motopropulseur à faisceau d’enveloppe ou turbopropulseur. Procédé servant à faire fonctionner un groupe motopropulseur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que des sous-systèmes (8) sont alimentés avec une énergie produite par la pile à combustible (7).