Brevet FR3140113A1 — publié le 20240329

L’invention concerne un véhicule automobile comprenant un turbogénérateur qui comprend : - un démarreur/générateur électrique, - une entrée d'air, au moins un turbocompresseur comprenant au moins une turbine (T1) et un compresseur, - une chambre de combustion (CC1), - un récupérateur (R1) qui est un échangeur de chaleur, et - une sortie d'air, caractérisé en ce que la chambre de combustion (CC1) est intégrée dans le récupérateur (R1), et en ce que le récupérateur (R1) est configuré pour récupérer l’énergie en sortie dudit turbocompresseur pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion (CC1). L’invention concerne également un turbogénérateur pour un tel véhicule, et son procédé de fabrication. Figure 3 VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN TURBOGENERATEUR EQUIPE D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION INTEGREE DANS UN RECUPERATEUR, SYSTEME ET PROCEDE SUR LA BASE D’UN TEL VEHICULE L’invention se rapporte au domaine des dispositifs et systèmes de turbogénérateur du type à cycle de turbine à gaz, intégrés à un véhicule. Les convertisseurs d’énergie de type turbine à gaz sont largement étudiés en ce moment comme prolongateur d’autonomie (« range extender » en langue anglaise) dans les véhicules hybrides de série. Ce convertisseur peut opérer en mode APU (pour Unité de Puissance Auxiliaire ou « Auxiliary Power Unit » en langue anglaise) où son rôle est de recharger les batteries d’un véhicule électrique. Il est ainsi mécaniquement découplé de la chaîne de traction et fonctionne sur son point de rendement maximal. Plusieurs cycles sont en cours d’investigation, y compris les cycles récupératifs simples (RGT pour turbine à gaz récupérative ou « Recuperative Gas Turbine »), mais aussi les cycles récupératifs à refroidisseur (IRGT) et les cycles avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe ou « Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise). Le cycle de turbine à gaz avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe (IRReGT) est un cycle à fort potentiel pour les applications automobiles. Ce cycle permet d’atteindre un rendement important mais aussi une densité de puissance élevée (travail net spécifique élevé). Dans les architectures travaillées par différentes sociétés, le récupérateur et la chambre de combustion forment 2 pièces séparées (comme illustré en ). Cela nécessite plus de volume et présente des problématiques d’intégration, notamment dans des applications automobiles, où le volume et les aspects thermiques (isolation thermique) sont très importants et contraignants. Le turbogénérateur incorpore généralement un démarreur/générateur électrique G1, une entrée d’air, un turbocompresseur TC comprenant au moins une turbine T1 et un compresseur C1, un réacteur catalytique CC1 qui est une chambre de combustion, un récupérateur R1 qui est un échangeur de chaleur, et une sortie d’air, Le récupérateur R1 et la chambre de combustion CC1 sont des pièces chaudes dont les parois peuvent dépasser les 500°C. Ainsi, la chaleur de ces pièces peut endommager d’autres pièces en cas d’intégration à un véhicule automobile. En outre, ces deux pièces forment un volume significatif alors que l’espace est limité dans un véhicule automobile. Ainsi, un objectif de l’invention est de remédier aux défauts de l’art antérieur, et notamment de proposer une solution limitant le risque d’endommager les pièces autour du turbocompresseur, tout en ayant un volume optimisé pour intégrer aisément le turbocompresseur dans un véhicule automobile. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un véhicule automobile comprenant un turbogénérateur qui comprend : - un démarreur/générateur électrique, - une entrée d'air, - au moins un turbocompresseur comprenant au moins une turbine et un compresseur, - une chambre de combustion, - un récupérateur qui est un échangeur de chaleur, et - une sortie d'air, caractérisé en ce que la chambre de combustion est intégrée dans le récupérateur, et en ce que le récupérateur est configuré pour récupérer l’énergie en sortie dudit turbocompresseur pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion. En particulier, l’invention propose d’intégrer la chambre de combustion dans le récupérateur tout en gardant la fonctionnalité « chambre de combustion » et « récupérateur ». Cela permet de gagner en volume total, et de réduire les contraintes liées à l’isolation thermique mais aussi la quantité de matériaux d’isolation thermique. Selon une variante, au moins une paroi, de préférence toutes les parois, de la chambre de combustion, à l’intérieur du récupérateur, laissent passer de l’air. Ainsi, le flux d’air chaud, en sortie du récupérateur vers la chambre de combustion, passe directement dans la chambre de combustion Selon une variante, le récupérateur comprend une section chaude comportant un flux d’air préchauffé à un premier côté, et une section froide sensiblement plus froide que la section chaude, la chambre de combustion comprenant une entrée de chambre en aval du compresseur et une sortie de chambre en amont de la turbine, et l’entrée de chambre est au niveau de la section chaude, et la sortie de chambre est au niveau de la section froide. Cela permet d’optimiser thermiquement la mise en place de la chambre de combustion dans le récupérateur. Selon une variante, le récupérateur est configuré pour récupérer l’énergie des gaz en sortie de la turbine pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion. Cela permet d’améliorer l’efficacité de la chambre de combustion. L’invention concerne en outre un turbogénérateur pour un véhicule automobile selon l’invention, le turbogénérateur comprenant : - un démarreur/générateur électrique, - une entrée d'air, - un turbocompresseur comprenant au moins une turbine et un compresseur, - une chambre de combustion, - un récupérateur qui est un échangeur de chaleur, et - une sortie d'air, caractérisé en ce que la chambre de combustion est intégrée dans le récupérateur, et en ce que le récupérateur est configuré pour récupérer l’énergie en sortie du turbocompresseur pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion. Un autre objet concerne un procédé de fabrication d’un turbogénérateur d’un véhicule automobile selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - intégrer la chambre de combustion dans le récupérateur, et - assembler le récupérateur de sorte à récupérer l’énergie en sortie du turbocompresseur pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement une vue dans l’espace d’un turbogénérateur selon l’art antérieur ; - illustre schématiquement une vue dans l’espace d’un récupérateur intégrant une chambre de combustion pour un véhicule selon un mode de réalisation préféré de l’invention ; - illustre schématiquement une vue en coupe selon III-III de la ; - illustre schématiquement une architecture de turbine à gaz récupérative (RGT pour « Recuperative gas turbine » en langue anglaise) convenant à l’invention ; - illustre schématiquement une architecture de turbine à gaz récupérative avec compression refroidie (IRGT – pour « Intercooled Recuperative Gas Turbine » en langue anglaise) convenant à l’invention ; - illustre schématiquement une architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (RReGT – pour « Recuperative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise) convenant à l’invention ; - illustre schématiquement une architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT – pour « Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise) convenant à l’invention. L’invention se base sur une architecture de turbogénérateur telle que présentée plus haut, et propose d’intégrer la chambre de combustion CC1 d’une micro-turbine ou turbogénérateur dans le récupérateur R1 (l’échangeur de chaleur permettant de récupérer l’énergie en sortie du système pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion CC1). Cela permet de réduire le volume total et la complexité en termes d’intégration. Le flux d’air préchauffé en sortie du récupérateur R1 entre directement dans la chambre de combustion CC1. Celle-ci est positionnée de façon à ce qu’elle s’intègre à l’intérieur du récupérateur R1. L’intégration d’un turbogénérateur dans une application hors-automobile (cogénération, Genset…) est relativement plus simple qu’en automobile. En automobile, le volume et l’isolation thermique sont des critères importants. Dans une micro-turbine, certaines pièces sont dites chaudes : où la température des parois peut dépasser les 500°C. Ces pièces sont : La chambre de combustion CC1, le récupérateur R1 (côté chaud) et le carter de la turbine et bien sur les connections / tuyaux entre ces pièces. Dans cette invention, on propose une architecture qui permet d’intégrer la chambre de combustion CC1 dans le récupérateur R1. La chambre de combustion CC1 étant positionnée à l’intérieur du récupérateur R1, le flux d’air chaud, en sortie du récupérateur R1 vers la chambre de combustion CC1, passe directement dans la chambre de combustion. En faisant cela, on supprime l’isolation thermique de la chambre. En effet, la paroi de la chambre CC1 à haute température va rayonner mais à l’intérieur du récupérateur, donc pas de flux thermique perdu vers l’ambiant. Ainsi, on réduit la complexité et les problématiques d’intégration. On a une seule pièce qui fait à la fois récupérateur R1 et chambre de combustion CC1. Le but de l’échangeur de chaleur / récupérateur R1 est de préchauffer l’air en amont de chambre de combustion CC1 par les gaz chauds en sortie de la turbine T1 pour diminuer la quantité de carburant injecté, ce qui permet d’améliorer sensiblement le rendement. L’invention est réalisable avec tout type de récupérateur R1 permettant de canaliser les flux d’air de façon à ce que la sortie chaude (l’air qui se réchauffe) entre dans une chambre de combustion CC1 positionnée à l’intérieur du récupérateur R1. Le concept reste vrai avec tout type de récupérateur R1 où on réussit à canaliser le flux d’air de façon à rentrer dans une chambre de combustion CC1 intégrée à l’intérieur. L’échangeur de chaleur du récupérateur R1 peut être à simple flux, double flux ou flux croisé, ou tout autre type de technologie. Le nombre de passages dans le récupérateur R1 est variable et la taille de celui-ci est variable. L’objectif est d’intégrer la chambre de combustion CC1 à l’intérieur et de pouvoir canaliser l’air de sorte qu’il entre dans la chambre de combustion CC1 après préchauffage. Les avantages techniques sont les suivants : - Réduction de la taille du système turbogénérateur ; - Réduction de la masse (moins de tuyaux) ; - Réduction de la complexité de réalisation notamment liée à l’absence d'isolation thermique de la chambre de combustion CC1 ; - Amélioration (légère) de la performance par le fait que moins de chaleur sera rayonnée à l'extérieur de la machine (vers l'ambiant) ; - Meilleur packaging de la machine. La proposition d’intégrer la chambre de combustion CC1 dans l’échangeur de chaleur (le récupérateur R1) est compatible avec toutes les architectures thermodynamiques de turbocompresseurs utilisant un récupérateur. Ci-dessous une liste non exhaustives de ces architectures : - architecture de turbine à gaz récupérative (RGT pour « R ecuperative gas turbine » en langue anglaise) illustrée en ; - architecture de turbine à gaz récupérative avec compression refroidie (IRGT – pour « Intercooled Recuperative Gas Turbine » en langue anglaise) illustrée en ; - architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (RReGT – pour « Recuperative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise) illustrée en ; - architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT – pour « Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise) illustrée en . Dans ces figures, les références sont incrémentées d’une unité pour des dispositifs supplémentaires de même type. La référence IC concerne un refroidisseur. La largeur de récupérateur R1 (ou la longueur de celui- ci / en fonction du choix de positionnement de la chambre CC1), est inférieure ou égale à la longueur de la chambre de combustion CC1. En procédant ainsi, on pourra gagner en espace (en intégration) et éviter d’isoler thermiquement la chambre de combustion CC1. Le rayonnement de la paroi de la chambre de combustion CC1 sera récupéré par les pièces internes au récupérateur R1 et participe donc au préchauffage de l’air à l’intérieur. Outre le domaine automobile, le turbogénérateur de l’invention peut être appliqué à différentes applications hors-automobile. Véhicule automobile comprenant un turbogénérateur qui comprend : - un démarreur/générateur électrique (G1), - une entrée d'air, - au moins un turbocompresseur comprenant au moins une turbine (T1) et un compresseur (C1), - une chambre de combustion (CC1), - un récupérateur (R1) qui est un échangeur de chaleur, et - une sortie d'air, caractérisé en ce que la chambre de combustion (CC1) est intégrée dans le récupérateur (R1), et en ce que le récupérateur (R1) est configuré pour récupérer l’énergie en sortie dudit turbocompresseur pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion (CC1). Véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins une paroi, de préférence toutes les parois, de la chambre de combustion (CC1), à l’intérieur du récupérateur (R1), laissent passer de l’air. Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel le récupérateur (R1) comprend une section chaude (H) comportant un flux d’air préchauffé à un premier côté, et une section froide sensiblement plus froide que la section chaude, la chambre de combustion (CC1) comprenant une entrée de chambre en aval du compresseur (C1) et une sortie de chambre en amont de la turbine (T1), caractérisé en ce que l’entrée de chambre est au niveau de la section chaude (H), et la sortie de chambre est au niveau de la section froide. Système de récupérateur pour un turbogénérateur d’un véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le récupérateur (R1) est configuré pour récupérer l’énergie des gaz en sortie de ladite turbine pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion (CC1). Turbogénérateur pour un véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, le turbogénérateur comprenant : - un démarreur/générateur électrique (G1), - une entrée d’air, - au moins un turbocompresseur comprenant au moins une turbine (T1) et un compresseur (C1), - une chambre de combustion (CC1), - un récupérateur (R1) qui est un échangeur de chaleur, et - une sortie d'air, caractérisé en ce que la chambre de combustion (CC1) est intégrée dans le récupérateur (R1), et en ce que le récupérateur (R1) est configuré pour récupérer l’énergie en sortie dudit turbocompresseur pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion (CC1). Procédé de fabrication d’un turbogénérateur d’un véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - intégrer la chambre de combustion (CC1) dans le récupérateur (R1), et - assembler le récupérateur (R1) de sorte à récupérer l’énergie en sortie du turbocompresseur pour préchauffer l’entrée de la chambre de combustion (CC1).