Brevet FR3141220A1 — publié le 20240426

L’invention concerne un véhicule automobile comprenant une turbomachine qui comprend : - au moins une turbine et/ou au moins un compresseur, disposé sur un axe de travail, - un générateur électrique couplé rotativement à l’axe de travail, caractérisé en ce que la turbomachine comprend en outre un réducteur sur l’axe de travail. L’invention concerne également un procédé de fabrication sur la base d’un tel véhicule. Figure 1 VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UNE TURBOMACHINE EQUIPEE D’UN GENERATEUR ET D’UN REDUCTEUR 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). L'intégration du turbogénérateur dans un véhicule électrique présentes des difficultés. En effet, le régime moteur des turbomachines est généralement très élevé, souvent supérieur à 100.000 RPM. Pour convertir la rotation de la turbomachine en énergie électrique, il faut une machine électrique spécifique. En outre, cette intégration nécessite d’utiliser un système électronique de puissance spécifique, non disponible facilement, pour traiter de la haute fréquence et réaliser une ondulation à une tension acceptable par la batterie du véhicule. Ainsi, un objectif de l’invention est de remédier les défauts de l’art antérieur et de proposer une solution permettant d’utiliser une machine électrique usuelle sur une turbine d’un turbocompresseur de sorte à convertir l’énergie des rotations de la turbine en énergie électrique. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un véhicule automobile comprenant une turbomachine qui comprend : - au moins une turbine et/ou au moins un compresseur, disposé sur un axe de travail, - un générateur électrique couplé rotativement à l’axe de travail, caractérisé en ce que la turbomachine comprend en outre un réducteur sur l’axe de travail. Avantageusement, l’invention propose un turbogénérateur avec un système de réduction à friction à haute vitesse. Ce réducteur s'intègre au turbogénérateur au niveau des turbomachines, ce qui permet de réduire le régime de rotation et d'utiliser par conséquent, une machine électrique usuelle et surtout une électronique de puissance usuelle coûteuse. L’invention s’applique également à d’autres domaines techniques où un réducteur haute vitesse est nécessaire. De plus l’invention permet de réduire le régime de sortie de la turbomachine et de se coupler à une machine électrique à faible régime. Cette proposition est valable pour toute turbomachines quelles que soient leur architecture : GT (simple Gas Turbine), RGT (Recuperative Gas Turbine), IRGT (Intercooled Recuperative Gas Turbine), IRReGT (Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine), etc… Selon une variante, ledit réducteur est disposé entre le générateur et la turbine ou le compresseur. Cela permet de réduire directement le régime de l’axe de travail à proximité du générateur. Selon une variante, ledit réducteur est un réducteur planétaire. Cela permet de limiter l’encombrement de l’assemblage. Selon une variante, ledit réducteur comprend un bâti, un engrenage solaire de forme conique, un engrenage planétaire de forme sphérique, un axe de transmission, et une roue d’engrenage de forme conique. Cela permet d’avoir un système pleinement fonctionnel de réduction. Selon une variante, ledit réducteur comprend une première vis de blocage réglable contrôlant le glissement et les contraintes entre les points de contact au niveau de la roue d’engrenage, et de l’engrenage planétaire, la première vis de blocage agissant sur la roue d’engrenage à travers un capteur de tension / effort, et à travers d’un levier, un ressort hélicoïdal et un piston de pression. Cela permet de contrôler aisément ledit glissement et lesdites contraintes. En outre, cela permet de réduire la sensibilité pour la non-coaxialité parfaite (erreur d'alignement) des engrenages. Selon une variante, ledit réducteur comprend une deuxième vis de blocage contrôlant le glissement et les contraintes au niveau de l’engrenage solaire et de l’engrenage planétaire, la deuxième vis de blocage agissant sur l’engrenage solaire à travers d’un capteur de tension / effort, un levier spécifique et un roulement. Cela permet de contrôler aisément ledit glissement et lesdites contraintes. Selon une variante, ledit roulement est de type palier de broche. Selon une variante, l’engrenage solaire opérant à haute vitesse, transmets la puissance et le couple, à travers l’axe de transmission de l’engrenage planétaire, la roue d’engrenage étant solidaire du bâti à travers une denture de crabot, et étant mobile selon la direction axiale suivant l’axe de travail. L’invention concerne en outre un procédé de fabrication d’un turbocompresseur pour un véhicule automobile selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - mettre en place au moins une turbine et/ou au moins un compresseur, disposé sur l’axe de travail, - un générateur électrique couplé rotativement à l’axe de travail, - coupler rotativement un générateur électrique à l’axe de travail, - coupler en outre un réducteur sur l’axe de travail. 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 un schéma interne d’un réducteur pour une turbomachine d’un véhicule selon un mode de réalisation préféré ; - illustre schématiquement une vue dans l’espace du réducteur de la ; - illustre schématiquement un premier exemple de turbomachine mise en œuvre dans l’invention ; et - illustre schématiquement un premier exemple de turbomachine mise en œuvre dans l’invention. L’invention propose un réducteur haute vitesse planétaire et à friction sur un axe de turbogénérateur, permettant de réduire le régime de rotation d’un arbre en sortie. Ledit réducteur planétaire à friction est destiné à réduire le régime de rotation d’un axe de turbomachine tournant à très haut régime. On cherche à proposer un dispositif de réducteur qui permet de réduire le régime de rotation d'un axe tournant la très haut régime, notamment un axe d'une turbomachine. Les turbomachines tournant à haut régime nécessitent des machines électriques spécifiques et une électronique de puissance dédiée, ladite électronique de puissance a pour rôle de traiter le signal haute fréquence pour avoir un signal compatible avec la bonne tension nécessaire au niveau de sortie. Ce dispositif est compatible avec une turbomachine, ladite turbomachine peut être installée dans un véhicule électrique et permettant d'alimenter en électricité le véhicule, ou dans un véhicule thermique ou encore dans d’autres applications possibles type générateur électrique ou unité de puissance auxiliaire (Auxiliary Power Unit - APU), notamment pour des avions, des bateaux, des bus, etc. Ainsi l'objectif de l'invention est de proposer ce dispositif ce qui permet de réduire la complexité de la fabrication de la turbomachine et par conséquent celle du véhicule. Ce dispositif proposé peut être couplé à tout type de turbomachine. La turbomachine pourra être un compresseur simple ou booster, un compresseur double étage, double compresseur, deux ou plusieurs compresseurs couplés sur le même arbre, une turbine simple, une turbine à un ou plusieurs étages ou deux ou plusieurs turbines couplées ensemble. La turbomachine peut être également un turbocompresseur simple formé d'un compresseur et d'une turbine, d'un double étage de compression couplé à une turbine, d'un compresseur simple couplé à double turbine ou toute variante formée par l'assemblage de compresseur et de turbine. Les compresseurs et les turbines peuvent être de technologies radiales ou axiales. Ledit réducteur peut être couplé côté turbine (dit côté chaud) ou côté compresseur (dit côté froid). Le couplage du dispositif peut être côté compresseur avec double étage de compression, ou côté compresseur avec doublé étage de détente. Le réducteur planétaire à friction comprend un bâti 1, un engrenage solaire 2 (ou « sun gear » en langue anglaise) avec une forme conique, au moins un engrenage planétaire 3 (ou « planet gear » en langue anglaise) de forme sphérique, un axe de transmission 4 (ou « carrier shaft » en langue anglaise), et une roue d’engrenage 5 (ou « ring gear » en langue anglaise) de forme conique. Le choix des géométries de contact (sphérique vs conique) offre une solution qui permet de réduire la sensibilité pour la non-coaxialité parfaite (erreur d'alignement) des engrenages. Le contact par frottement entre l’engrenage solaire 2 et les engrenages planétaires 3 (dans le mode de réalisation préféré, il y a trois engrenage planétaire 3), et entre les engrenages planétaires 3 et la roue d’engrenage 5 sont différents et indépendants. Dans le mode de réalisation illustré, les angles de frottement ainsi que les pressions de Hertz peuvent être optimisés indépendamment (choix des matériaux, des rayons de courbure). De même le refroidissement peut être amélioré. Le glissement (et les contraintes) entre les points de contact au niveau de la roue d’engrenage 5 et des engrenages planétaires 3 sont contrôlés par une vis 7 réglable et qui agit sur la roue d’engrenage 5 à travers d'un capteur de tension / effort 8, et à travers d'un levier 9, un ressort hélicoïdal 10 et un piston de pression 11. Par ailleurs, le glissement (et les contraintes) au niveau de l’engrenage solaire 2 et des engrenages planétaires 3 sont contrôlés par une vis qui agit sur l’engrenage solaire 2 à travers un capteur de tension / effort, un levier spécifique et un roulement 12, ledit roulement 12 étant de type palier de broche. Le réducteur peut opérer à sec ou lubrifié. Dans le cas de fonctionnement en mode réducteur, la puissance (couple) est transmise de l’engrenage solaire 2, opérant à haute vitesse, à travers les engrenages planétaires 3 de l’axe de transmission 4. La roue d’engrenage 5 ne tourne pas, elle est solidaire du bâti du réducteur à travers une sorte de denture de crabot (ou « dog teeth connection/spline » en langue anglaise) ; elle est mobile selon la direction axiale. Dans l'architecture présentée, le rapport de réduction est de 10 (pour un taux de glissement de 0). Les contacts de frottement peuvent être créés et contrôlés à l'aide d'un système actif ou passif (par exemple un actuateur électrique, ou mécanique, ou hydraulique ou magnétique ou autre). Cela permet d'adapter à tout instant le frottement en fonction des couples (ou puissance entrée-sortie). Le mécanisme proposé dans cette architecture présentée est équipé d'un mécanisme de control passive. Le bras conique est fixé par un roulement radial d'un côté et suspendu par trois contacts de frottement avec les planétaires de l'autre côté. Il y a une possibilité d'utiliser des roulements magnétiques (comme segments solide) à la place des contacts mécanique pour supprimer les frottements (dissipation de la puissance par échauffement). Cela permet d'augmenter considérablement le rendement mécanique du dispositif. Les avantages techniques sont les suivants : - Réduction du coût de l'électronique de puissance du faite d'utilisation d'une machine électrique à faible régime ; - le dispositif permet d'adapter le taux de frottement durant le fonctionnement normal et en fonction du couple transmis, ce qui permet d'augmenter le rendement mécanique en contrôlant à tout instant les frottements ; - le dispositif est compatible avec des transmissions magnétiques ; - le dispositif permet d'atteindre les taux de réduction très élevés, en adaptant les diamètres des engrenages, de préférence non-dentés. La proposition 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) ; - architecture de turbine à gaz récupérative avec compression refroidie (IRGT – pour « Intercooled Recuperative Gas Turbine » en langue anglaise) ; - architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (RReGT – pour « Recuperative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise) ; - architecture de turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT – pour « Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine » en langue anglaise). Outre le domaine automobile, le turbogénérateur de l’invention peut être appliqué à différentes applications hors-automobile. Véhicule automobile comprenant une turbomachine qui comprend : - au moins une turbine (T1) et/ou au moins un compresseur (C1), disposé sur un axe de travail, - un générateur électrique (G1) couplé rotativement à l’axe de travail, caractérisé en ce que la turbomachine comprend en outre un réducteur (R) sur l’axe de travail (A). Véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réducteur est disposé entre le générateur (G1) et la turbine (T1) ou le compresseur (C1). Véhicule automobile l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit réducteur (R) est un réducteur planétaire. Véhicule automobile selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit réducteur comprend un bâti (1), un engrenage solaire (2) de forme conique, un engrenage planétaire (3) de forme sphérique, un axe de transmission (4), et une roue d’engrenage (5) de forme conique. Véhicule automobile selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit réducteur comprend une première vis de blocage (7) réglable contrôlant le glissement et les contraintes entre les points de contact au niveau de la roue d’engrenage (5), et de l’engrenage planétaire (3), la première vis de blocage (7) agissant sur la roue d’engrenage (5) à travers un capteur de tension / effort (8), et à travers d’un levier (9), un ressort hélicoïdal (10) et un piston de pression (11). Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que ledit réducteur (R) comprend une deuxième vis de blocage contrôlant le glissement et les contraintes au niveau de l’engrenage solaire et de l’engrenage planétaire, la deuxième vis de blocage agissant sur l’engrenage solaire à travers d’un capteur de tension / effort, un levier spécifique et un roulement (12), Véhicule automobile selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit roulement (12) est de type palier de broche. Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l’engrenage solaire opérant à haute vitesse, transmets la puissance et le couple, à travers l’axe de transmission de l’engrenage planétaire, la roue d’engrenage étant solidaire du bâti à travers une denture de crabot, et étant mobile selon la direction axiale suivant l’axe de travail. Procédé de fabrication d’un turbocompresseur pour un véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - mettre en place au moins une turbine (T1) et/ou au moins un compresseur (C1), disposé sur l’axe de travail, - un générateur électrique (G1) couplé rotativement à l’axe de travail, - coupler rotativement un générateur électrique (G1) à l’axe de travail, - coupler en outre un réducteur sur l’axe de travail (A).