Brevet FR3131573A1 — publié le 20230707

Système propulsif hybride pour aéronef Système propulsif (1) hybride pour aéronef (100),comprenant un moteur à combustion (20) présentant un arbre de sortie (23), l’aéronef (100) étant configuré de sorte que tous ses régimes de fonctionnement soient tels que l’arbre de sortie (23) tourne entre 75% et 125% d’une vitesse de référence unique, le système propulsif (1) comprenant une turbine (10) connectée un l’échappement de gaz (21) du moteur à combustion (20), et un compresseur (11) mécaniquement couplé à la turbine (10) par un arbre rotatif (12), le compresseur (11) étant connecté à l’admission de gaz (22) du moteur à combustion (20), une première machine électrique réversible (30) couplée à l’arbre rotatif (12), une deuxième machine électrique réversible (31) couplée à l’arbre de sortie (23) du moteur à combustion (20), la première machine électrique réversible (30) et la deuxième machine électrique réversible (31) étant reliées électriquement l’une à l’autre. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Système propulsif hybride pour aéronef Le présent exposé concerne un système propulsif hybride pour aéronef. Les systèmes propulsifs du présent exposé sont particulièrement adaptés à des appareils aéronautiques tels que des appareils à voilure tournante (hélicoptères, drones, etc…) ou des appareils à voilure fixe. Les aéronefs sont très majoritairement propulsés par des systèmes utilisant des moteurs thermiques tels que des turbomachines ou des moteurs à combustion. Dans le cas des hélicoptères, des appareils à voilure fixe ou des drones, ce sont des moteurs isolés qui doivent à eux seuls fournir l’intégralité de la puissance nécessaire au bon fonctionnement de l’aéronef. Cela implique des contraintes sur les systèmes propulsifs en termes de dimensionnement, de mécanique et de thermodynamique. Il en résulte que de tels systèmes propulsifs sont massiques et que certaines pièces particulièrement exposées sont peu durables. De plus, ces systèmes propulsifs émettent des polluants tels que du CO 2 , des suies ou des NO x . La consommation des systèmes de propulsion est donc un enjeu majeur puisque chaque économie de carburant est double : cela diminue les coûts d’utilisation de l’aéronef pour l’opérateur et cela diminue également le rejet de polluants. Des systèmes propulsifs associent un moteur thermique à un électromoteur capable de prélever de l’énergie lorsque le moteur fournit un surplus de puissance par rapport à la puissance nécessaire pour faire fonctionner l’aéronef et de stocker cette énergie sous forme électrique. Cette énergie stockée peut ensuite être redistribuée là où elle est nécessaire. De cette façon, l’énergie fournie par le moteur thermique est mieux optimisée. Cependant, ces systèmes restent fortement consommateurs de carburant et donc fortement émetteurs de polluants. Par conséquent, leur acceptabilité sociale est faible et ils sont au mieux tout juste compatibles avec les normes environnementales actuelles, et risquent fortement de ne plus être compatibles avec les normes futures. Il existe donc un réel besoin pour un système propulsif plus performant, plus durable et plus économe en carburant, de sorte qu’il soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux systèmes propulsifs connus. Le présent exposé concerne un système propulsif hybride pour aéronef, comprenant un moteur à combustion présentant un arbre de sortie mécaniquement couplé à un élément de propulsion de l’aéronef, l’aéronef étant configuré de sorte que tous ses régimes de fonctionnement soient tels que l’arbre de sortie tourne entre 75% et 125% d’une vitesse de référence unique, le système propulsif comprenant en outre une admission de gaz et un échappement de gaz, le système propulsif comprenant en outre une turbine connectée à l’échappement de gaz du moteur à combustion de façon à être entrainée par les gaz d’échappement du moteur à combustion, et un compresseur mécaniquement couplé à la turbine par un arbre rotatif, le compresseur étant connecté à l’admission de gaz du moteur à combustion, une première machine électrique réversible couplée audit arbre rotatif, une deuxième machine électrique réversible couplée à l’arbre de sortie du moteur à combustion, la première machine électrique réversible et la deuxième machine électrique réversible étant reliées électriquement l’une à l’autre. Préférentiellement, l’arbre de sortie tourne entre 80% et 120% de la vitesse de référence unique. Plus préférentiellement, l’arbre de sortie tourne entre 90% et 110% de la vitesse de référence unique. Encore plus préférentiellement, l’arbre de sortie tourne entre 95% et 105% de la vitesse de référence unique. Un tel système propulsif permet de récupérer une partie de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement afin de la redistribuer dans le système propulsif. Cela représente donc une augmentation du rendement et de la puissance globale du système de l’ordre de 10 à 25% par rapport à un système propulsif classique sans traitement des gaz d’échappement. Par ailleurs, il est à noter que le présent système propulsif est décrit dans l’exemple d’une utilisation dans un aéronef, mais pourrait être utilisé dans d’autres véhicules propulsés. Le moteur à combustion est configuré pour faire tourner l’arbre de sortie à des vitesses resserrées autour d’une vitesse de référence. On parle alors de moteur à régime fixe. Dans une telle situation, le moteur à combustion peut être précisément optimisé pour cette vitesse de référence et être plus performant à cette vitesse qu’un moteur à combustion classique, qui couvre une gamme plus large de vitesses. En particulier, l’utilisation d’un régime fixe permet d’avoir des conditions thermodynamiques et mécaniques plus constantes au sein du moteur à combustion, ce qui permet d’affiner plus justement les différents composants de ce moteur à ces conditions. De ce fait, la récupération de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement est facilitée et améliorée. Tous les précédents avantages permettent une diminution de la consommation en carburant du présent système propulsif par rapport aux systèmes propulsifs connus. Cette diminution en consommation représente donc une diminution des coûts d’usage de l’aéronef équipé d’un tel système propulsif. Par ailleurs, puisque la consommation est moindre, l’émission de polluants d’un tel aéronef est aussi amoindrie. L’utilisation de deux machines électriques réversibles permet d’apporter un couple supplémentaire à l’arbre de sortie ce qui augmente la puissance motrice totale délivrée par le système propulsif. Ce couple supplémentaire ne pourrait pas être obtenu avec un système propulsif comprenant uniquement un moteur à combustion, et représente donc une amélioration des systèmes connus. Dans certains modes de réalisation, le système propulsif comprend une batterie connectée à au moins une des machines électriques réversibles, optionnellement via un module électronique de puissance. Dans cette configuration, de l’énergie électrique peut être stockée dans la batterie lorsque le système de propulsif produit plus d’énergie que nécessaire pour le fonctionnement de l’aéronef. De plus, l’énergie électrique ainsi stockée peut être redistribuée au moteur ou à d’autres parties de l’aéronef, à des instants où cette énergie est nécessaire. Le cas échéant, le module électronique de puissance permet d’adapter les caractéristiques électriques (puissance, tension, intensité, etc.) et/ou la nature alternative ou continue du courant reçu par la batterie et les machines électriques réversibles. Ainsi, les échanges d’énergie électrique entre les machines électriques et/ou la batterie sont facilités. Dans certains modes de réalisation, au moins l’une de la première machine électrique réversible et la deuxième machine électrique réversible est un moteur-générateur, par exemple de type synchrone à aimants permanents. En effet, les moteurs-générateurs de type synchrone à aimant permanents présentent des rendements meilleurs que les autres types de moteur générateur. Par conséquent, l’utilisation de tels moteurs-générateurs permet d’améliorer encore le rendement global du système de propulsion. Cet effet est d’autant plus grand si les deux machines électriques réversibles sont des moteurs-générateurs. Dans certains modes de réalisation, le système propulsif comprend un échangeur de chaleur prévu en aval du compresseur et en amont du moteur à combustion, l’échangeur de chaleur étant configuré pour ajuster la température des gaz sortant du compresseur avant leur entrée dans le moteur à combustion. La présence d’un échangeur de chaleur permet de refroidir les gaz en aval du compresseur. En effet, du fait de la compression, les gaz en aval du compresseur ont vu leur température augmenter. Ainsi, le compresseur permet d’atténuer cette augmentation de sorte que les gaz fournis au moteur à combustion soient à une température optimisée pour le fonctionnement du moteur à combustion. Le rendement du moteur à combustion s’en voit amélioré. Dans certains modes de réalisation, le taux de détente de la turbine est compris entre 1 et 5, voire entre 2 et 5. L’utilisation d’un tel taux de détente pour la turbine permet d’extraire une quantité optimale d’énergie provenant des gaz d’échappement du moteur à combustion. En effet, la récupération de l’énergie des gaz d’échappement engendre une contre-pression au niveau de l’échappement qui pourrait être néfaste pour le bon fonctionnement du moteur à combustion. A cet effet, le taux de détente prévu représente un compromis entre la récupération de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement et la contre-pression engendrée par cette récupération. Dans certains modes de réalisation, la turbine présente un diamètre maximal compris entre 25 et 80 mm, voire entre 35 et 70 mm. Dans cette configuration, la turbine récupère l’énergie des gaz d’échappement de façon optimale tout en respectant les contraintes structurelles imposées par la géométrie de l’aéronef. Dans certains modes de réalisation, la vitesse de référence de l’arbre de sortie du moteur à combustion est comprise entre 3000 et 7000 tours par minute. Lorsque la vitesse de référence est prévue dans un tel intervalle, tous les régimes de fonctionnement de l’aéronef sont accessibles. Par ailleurs, l’utilisation d’une vitesse de référence prévue dans une telle gamme permet de garantir un fonctionnement du moteur à combustion dans des conditions où le ratio rendement/consommation est optimal. Dans certains modes de réalisation, le moteur à combustion est un moteur à pistons. L’utilisation d’un moteur à pistons est avantageuse en termes de masse, de rendement et de puissance fournie dans le cadre du présent système propulsif où le moteur à combustion présente un régime fixe, centré sur une vitesse de référence. Par ailleurs, un système propulsif utilisant un moteur à pistons à la place d’un turbomoteur est plus économe en carburant de 30 à 70%. Cela représente donc une économie de carburant supplémentaire. Dans certains modes de réalisation, le moteur à pistons est configuré pour être alimenté en combustible et en comburant selon un ratio compris entre 0,01 et 0,08. On comprend que le ratio numérique représente la masse de combustible divisée par la masse de comburant. A titre d’exemple non limitatif, le combustible peut être du kérosène, du gaz naturel, du biogaz ou de l’hydrogène. Lorsque le moteur à pistons est alimenté selon un tel ratio combustion/comburant, le mode de combustion est un mode de combustion pauvre. De cette façon, le débit de gaz d’échappement est plus grand, ce qui augmente la quantité d’énergie récupérable par la turbine. Cela représente également une amélioration du rendement global du système propulsif. Par ailleurs, le fonctionnement en combustion pauvre augmente la durée de vie de certains composants, en particulier celle de la turbine. En effet, la combustion pauvre permet de diminuer le nombre de particules et d’espèces oxydantes excitées dans les gaz d’échappement par rapport à une combustion classique. Les gaz d’échappement sont aussi à une température moins élevée lorsqu’ils entrent dans la turbine. Dans certains modes de réalisation, le moteur à pistons comprend 12 cylindres ou moins. Préférentiellement, le moteur à pistons comprend 6 cylindres ou moins. Encore plus préférentiellement, le moteur à pistons comprend 4 cylindres ou moins. Dans ce mode de réalisation, le faible nombre de cylindres représente une économie de masse pour le moteur à pistons. Par conséquent, le rendement global du système propulsif est amélioré. Ce faible nombre de cylindres est permis par le haut rendement du système propulsif. Dans certains modes de réalisation, le moteur à pistons est configuré pour effectuer un cycle Miller-Atkinson. Le cycle de Miller-Atkinson est un cycle utilisant une détente prolongée. Une telle détente prolongée du moteur à combustion permet d’augmenter l’énergie récupérable par la turbine, ce qui améliore le rendement global du système propulsif, typiquement de l’ordre de 5 à 10% par rapport aux systèmes propulsifs connus. Dans certains modes de réalisation, le système propulsif comprend un contrôleur configuré pour piloter les échanges d’énergie entre la première machine électrique réversible, la deuxième machine électrique réversible, l’arbre rotatif et l’arbre de sortie du moteur à pistons. Le contrôleur permet d’optimiser les échanges d’énergie entre les différentes parties du système propulsif, à savoir le moteur à combustion, les machines électriques réversibles et la batterie. De cette façon, le système propulsif présente un meilleur rendement. Dans certains modes de réalisation, le contrôleur est configuré pour, lorsque le moteur à combustion fournit une puissance mécanique inférieure à la puissance nécessaire au fonctionnement de l’aéronef, contrôler la première machine électrique réversible pour transformer de l’énergie mécanique de l’arbre rotatif en énergie électrique, et contrôler la deuxième machine électrique réversible pour transformer ladite énergie électrique en énergie mécanique fournie à l’arbre de sortie du moteur à combustion. Lorsque le contrôleur est configuré de la sorte, il est possible de fournir en continu une puissance à l’aéronef qui ne pourrait pas être fournie par le moteur à combustion seul. On parle alors de puissance maximale continue du système propulsif. Cette puissance maximale continue peut être par exemple requise lors des phases de croisière rapide. De plus, cela permet de produire davantage d’énergie sans changer le débit de combustible, ce qui représente une économie en carburant de l’ordre de 15 à 30% par rapport aux systèmes propulsifs connus. Le contrôleur est aussi configuré pour prélever de l’énergie à la batterie et l’additionner à l’énergie électrique provenant de l’arbre rotatif afin d’alimenter la deuxième machine électrique réversible. Cet apport supplémentaire d’énergie permet d’augmenter la puissance par rapport à la puissance fournie pour la croisière rapide. Dans ces circonstances, la somme des puissances apportées par le moteur et la deuxième machine électrique peut correspondre à la puissance maximale requise, par exemple la puissance nécessaire pour le décollage de l’aéronef. Par ailleurs, un tel contrôle permet au système propulsif de fournir à l’aéronef une puissance suffisante pour accomplir un atterrissage d’urgence dans le cas où une avarie aurait touché le moteur à combustion et l’aurait rendu partiellement défaillant. La sécurité de l’aéronef est donc augmentée. Dans certains modes de réalisation, le contrôleur est configuré pour, lorsque le moteur à combustion fournit une puissance mécanique supérieure à la puissance nécessaire au fonctionnement de l’aéronef, contrôler la première machine électrique réversible pour transformer de l’énergie mécanique de l’arbre rotatif en énergie électrique, et contrôler la deuxième machine électrique réversible pour transformer de l’énergie mécanique de l’arbre de sortie du moteur à combustion en énergie électrique. Lorsque le contrôleur est configuré de la sorte, il est possible de recharger la batterie en cours d’utilisation de l’aéronef et lorsque la puissance nécessaire à la propulsion est inférieure à la puissance fournie par le moteur à combustion. Cela permet de restituer l’énergie stockée dans la batterie à des moments où cette énergie est nécessaire. Cette énergie peut également être utilisée pour faire fonctionner d’autres parties de l’aéronef, par exemple des équipements électriques ou électroniques embarqués. De plus, l’utilisation de la première et de la deuxième machine électrique réversible comme générateurs permet de recharger plus rapidement la batterie, par rapport à un cas où seule l’une des machines électriques réversibles serait impliquée dans la recharge. Dans certains modes de réalisation, le contrôleur est configuré pour, lorsque le moteur à combustion est en régime transitoire et sous-alimenté, contrôler la première machine électrique réversible pour transformer de l’énergie électrique en énergie mécanique fournie à l’arbre rotatif. Lorsque le contrôleur est configuré de la sorte, il est possible de minimiser l’impact des régimes transitoires du système propulsif, dans lesquels le moteur à combustion est sous-alimenté en air. En effet, dans un tel cas, l’énergie fournie à la première machine électrique réversible permet d’accélérer la vitesse de rotation du compresseur et d’ainsi augmenter l’admission d’air du moteur à combustion, ce qui compense la sous-alimentation. En conséquence, le régime transitoire est écourté. Cela augmente donc la rapidité d’exécution de certaines manœuvres de l’aéronef. Ainsi, la sécurité de l’utilisateur de l’aéronef est augmentée. Dans certains modes de réalisation, le contrôleur est configuré pour, lorsque le moteur à combustion est à l’arrêt, contrôler la deuxième machine électrique réversible pour transformer de l’énergie électrique en énergie mécanique fournie à l’arbre de sortie du moteur à combustion. Lorsque le contrôleur est configuré de la sorte, il est possible de faciliter le démarrage du système propulsif. Le démarrage peut également être entièrement réalisé de cette façon, sans autre apport d’énergie que celui fourni par la deuxième machine électrique réversible. Cela rend cette opération plus économe en carburant, ce qui participe au caractère économe du présent système propulsif. Par ailleurs, cette configuration améliore la sécurité de l’appareil dans le cas où un redémarrage du moteur à combustion est nécessaire en vol. Cette configuration permet également de s’affranchir d’un démarreur dédié pour le moteur à combustion. Cela représente donc une économie de masse et de coûts. Dans certains modes de réalisation, le système propulsif comprend une troisième machine électrique réversible reliée électriquement à la première et/ou la deuxième machines électrique réversible, la troisième machine électrique réversible étant mécaniquement couplée à un arbre secondaire configuré pour entraîner un élément de propulsion secondaire de l’aéronef. Dans une telle configuration, il est possible d’alimenter un élément de propulsion secondaire à l’aide du système propulsif. Cela représente une économie de coût et de masse puisque deux éléments de propulsion sont alimentés par un seul système propulsif. Le présent exposé concerne par ailleurs un aéronef comprenant un système propulsif selon l’un quelconque des précédents modes de réalisation. Un tel aéronef présente les avantages correspondants du système propulsif décrit ci-dessus. Dans certains modes de réalisation, l’aéronef est un hélicoptère et l’élément de propulsion est un rotor d’hélice propulsive et l’élément de propulsion secondaire est un rotor de queue. Dans cette configuration, il n’est pas nécessaire de fournir un système supplémentaire pour entraîner le rotor de queue, ce qui représente une économie de coût et de masse. Dans d’autres modes de réalisation, l’aéronef est un aéronef à voilure fixe tel qu’un avion, un drone à voilure fixe ou encore un Avion à Décollage et Atterrissage Vertical (appelé ADAV ou en anglais VTOL pour Vertical Take-Off and Landing ). Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif proposé. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. La représente schématiquement un hélicoptère comprenant un système propulsif selon un mode de réalisation. La représente un système propulsif selon un premier mode de réalisation. La représente le système propulsif selon le premier mode de réalisation lorsque ce dernier fournit sa puissance maximale. La représente le système propulsif selon le premier mode de réalisation lorsque la batterie est pleine. La représente le système propulsif selon le premier mode de réalisation lorsque la batterie est vide. La représente le système propulsif selon le premier mode de réalisation lorsque le moteur à combustion est en sous-alimentation. La représente le système propulsif selon le premier mode de réalisation lors du démarrage du moteur à combustion. La représente le système propulsif selon le premier mode de réalisation lorsque le moteur à combustion est défaillant. La représente le système propulsif selon une première variante du premier mode de réalisation fonctionnant sans batteries. La représente le système propulsif selon une deuxième variante du premier mode de réalisation incluant un élément de propulsion secondaire. Système propulsif (1) hybride pour aéronef (100), comprenant un moteur à combustion (20) présentant un arbre de sortie (23) mécaniquement couplé à un élément de propulsion de l’aéronef (100), l’aéronef (100) étant configuré de sorte que tous ses régimes de fonctionnement soient tels que l’arbre de sortie (23) tourne entre 75% et 125% d’une vitesse de référence unique, le système propulsif (1) comprenant en outre une admission de gaz (22) et un échappement de gaz (21), le système propulsif (1) comprenant en outre une turbine (10) connectée à l’échappement de gaz (21) du moteur à combustion (20) de façon à être entrainée par les gaz d’échappement du moteur à combustion (20), et un compresseur (11) mécaniquement couplé à la turbine (10) par un arbre rotatif (12), le compresseur (11) étant connecté à l’admission de gaz (22) du moteur à combustion (20), une première machine électrique réversible (30) couplée à l’arbre rotatif (12), une deuxième machine électrique réversible (31) couplée à l’arbre de sortie (23) du moteur à combustion (20), la première machine électrique réversible (30) et la deuxième machine électrique réversible (31) étant reliées électriquement l’une à l’autre. Système propulsif (1) selon la revendication 1, comprenant une batterie (41) connectée à au moins une des machines électrique réversibles (30,31), optionnellement via un module électronique de puissance (40). Système propulsif (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moteur à combustion (20) est un moteur à pistons. Système propulsif (1) selon la revendication 3, dans lequel le moteur à pistons (20) est configuré pour être alimenté en combustible et en comburant selon un ratio compris entre 0,01 et 0,08. Système propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant un contrôleur (50) configuré pour piloter les échanges d’énergie entre la première machine électrique réversible (30), la deuxième machine électrique réversible (31), l’arbre rotatif (12) et l’arbre de sortie (23) du moteur à pistons (20). Système propulsif (1) selon la revendication 5, dans lequel le contrôleur (50) est configuré pour, lorsque le moteur à combustion (20) fournit une puissance mécanique inférieure à la puissance nécessaire au fonctionnement de l’aéronef (100), contrôler la première machine électrique réversible (30) pour transformer de l’énergie mécanique de l’arbre rotatif (12) en énergie électrique, et contrôler la deuxième machine électrique réversible (31) pour transformer ladite énergie électrique en énergie mécanique fournie à l’arbre de sortie (23) du moteur à combustion (20). Système propulsif (1) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le contrôleur (50) est configuré pour, lorsque le moteur à combustion (20) fournit une puissance mécanique supérieure à la puissance nécessaire au fonctionnement de l’aéronef (100), contrôler la première machine électrique réversible (30) pour transformer de l’énergie mécanique de l’arbre rotatif (12) en énergie électrique, et contrôler la deuxième machine électrique réversible (31) pour transformer de l’énergie mécanique de l’arbre de sortie (23) du moteur à combustion (20) en énergie électrique. Système propulsif (1) selon l’une des revendications 5 à 7, dans lequel le contrôleur (50) est configuré pour, lorsque le moteur à combustion (20) est en régime transitoire et sous-alimenté, contrôler la première machine électrique réversible (30) pour transformer de l’énergie électrique en énergie mécanique fournie à l’arbre rotatif (12). Système propulsif (1) selon l’une des revendications 5 à 8, dans lequel le contrôleur (50) est configuré pour, lorsque le moteur à combustion (20) est à l’arrêt, contrôler la deuxième machine électrique réversible (31) pour transformer de l’énergie électrique en énergie mécanique fournie à l’arbre de sortie (23) du moteur à combustion (20). Système propulsif (1) selon l’une des revendications 5 à 9, comprenant une troisième machine électrique réversible (32) reliée électriquement à la première et/ou la deuxième machines électrique réversible (30, 31), la troisième machine électrique réversible (32) étant mécaniquement couplée à un arbre secondaire (24) configuré pour entraîner un élément de propulsion secondaire de l’aéronef (100).