Brevet FR3162792A1 — publié le 20251205

Dispositif turbogénérateur (8) comprenant au moins un premier étage (ET1) qui comprend un premier compresseur (CP1) et une première turbine (TB1), une première chambre de combustion (CC1) délivrant un premier flux de gaz (F1) à la première turbine via une conduite chaude (5), un échangeur récupérateur (1) interposé entre la sortie du premier compresseur (CP1) et l’entrée de la première chambre de combustion, une première conduite d’alimentation (3) en air compressé depuis le premier compresseur, jusqu’à une entrée de la première chambre de combustion, en passant par l’échangeur récupérateur, le dispositif comprenant une conduite de recirculation (2) s’étendant d’un premier piquage (54) dans la conduite chaude (5) jusqu’à un deuxième piquage dans la première conduite d’alimentation, et il est prévu un moyen de recirculation pour faire circuler des gaz brûlés depuis la conduite chaude jusqu’à la première conduite d’alimentation. Figure 3 DISPOSITIF TURBOGENERATEUR AVEC RECIRCULATION DE GAZ POUR VEHICULE La présente divulgation se rapporte généralement au domaine des dispositifs turbogénérateurs du type à cycle de turbine à gaz, autrement appelé « turbomachines ». Nous sommes ici dans le contexte d'un véhicule automobile, où la turbomachine est impliquée dans un système de prolongateur d'autonomie d’un véhicule électrique ou hybride. La présente invention concerne plus spécifiquement l'optimisation du rendement et l'optimisation des échanges thermiques impliqués dans les architectures de dispositifs turbogénérateurs. L’invention s’intéresse plus particulièrement au dimensionnement d’un échangeur de chaleur appelé échangeur récupérateur, qui permet de réchauffer de l'air d'admission compressé par échange thermique avec les gaz d'échappement chauds qui sortent de la chambre de combustion. Cet échangeur récupérateur permet d’améliorer le rendement global de la turbomachine, dans le cas d’une turbomachine à deux étages de compression, et aussi dans le cas d’une turbomachine à un seul étage de compression. Toutefois, cet échangeur récupérateur s'avère une pièce coûteuse à fabriquer. De plus cet échangeur récupérateur est volumineux et difficile à intégrer dans une architecture de véhicule. Les inventeurs ont cherché à proposer des solutions alternatives pour obtenir une température suffisante de l’air à l'entrée de la chambre de combustion, tout en diminuant le dimensionnement de l'échangeur récupérateur voire même pour parvenir à le supprimer. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un dispositif turbogénérateur, comprenant un premier étage qui comprend un premier compresseur et une première turbine liés ensemble via un premier arbre, une première chambre de combustion délivrant un premier flux de gaz à la première turbine via une conduite chaude, un échangeur récupérateur interposé entre la sortie du premier compresseur et l’entrée de la première chambre de combustion, une première conduite d’alimentation en air compressé qui s’étend depuis la sortie du premier compresseur, jusqu’à une entrée de la première chambre de combustion, en passant par l’échangeur récupérateur, caractérisé en ce que le dispositif comprend une conduite de recirculation s’étendant depuis un premier piquage dans la conduite chaude jusqu’à un deuxième piquage dans la première conduite d’alimentation, et il est prévu un moyen de recirculation pour faire circuler des gaz brûlés depuis la conduite chaude jusqu’à la première conduite d’alimentation. Moyennant quoi, une quantité de gaz circulant dans la conduite chaude est aspirée jusqu’à la conduite d’alimentation via la conduite de recirculation et contribuent à réchauffer l’air compressé avant son admission dans la première chambre de combustion. On remarque que les gaz recirculés se mélangent avec l’air frais compressé avant l’entrée dans la première chambre de combustion. Grâce à ces dispositions, on peut ainsi envisager un redimensionnement à la baisse de l’échangeur récupérateur. Dans certains cas de dimensionnement, l’astuce de la recirculation permet même de supprimer l’échangeur récupérateur. On remarque que la conduite de recirculation prélève des gaz brûlés par la chambre de combustion et les réinjecte à l'entrée de la chambre de combustion en parallèle d’air frais compressé. Il faut remarquer que l’échangeur récupérateur prélève des calories dans le flux de sortie de la turbine et les transfère à destination du flux d’air sortant du compresseur et à destination de la première chambre de combustion via la première conduite d’alimentation. Il faut noter que l’échangeur récupérateur peut aussi être appelé ‘ régénérateur’ ou simplement ‘ récupérateur’ . Selon une option avantageuse, le moyen de recirculation est formé par une restriction de section agencée sur la première conduite d’alimentation à l’endroit du deuxième piquage. La restriction de section génère un effet Venturi avec une dépression statique locale à l’endroit de la restriction de section. Il y a ainsi un phénomène de succion dans la conduite de recirculation en raison de la dépression qui règne dans la restriction de section. Selon une réalisation, le moyen de recirculation est formé par une pompe. L'utilisation d'une pompe permet de générer une recirculation forcée dans le cas où les pressions relatives ne permettent pas d'utiliser aisément la solution du Venturi. Selon une réalisation, le deuxième piquage est situé en aval de l’échangeur récupérateur. Les pressions régnant de part et d'autre de la chambre de combustion sont sensiblement voisines, et la dépression créée par la restriction de section suffit à aspirer des gaz brûlés dans la conduite de recirculation à partir de la conduite chaude. Selon une réalisation, le deuxième piquage est situé en amont de l’échangeur récupérateur. Ceci constitue une alternative à la solution précédente, qui fonctionne aussi moyennant la prise en compte de la perte de charge occasionnée par la circulation dans l'échangeur récupérateur (partie montante). Selon une réalisation, le taux de recirculation est compris entre 5% et 35%. Ce taux de recirculation dépend de la géométrie de la restriction de section et notamment du rapport des sections efficaces. Le taux de recirculation peut être adapté à la configuration particulière du dispositif turbogénérateur selon les autres paramètres pression, température et débit de carburant injecté dans la chambre de combustion. Le taux de recirculation est défini par le ratio F2 / F4 où F4 est le débit massique entrant dans la première chambre de combustion, et F2 est le débit massique circulant dans la conduite de recirculation, qui forme de fait une partie du débit massique entrant dans la première chambre de combustion. Selon une réalisation, le dispositif peut comprendre en outre un deuxième étage qui comprend un deuxième compresseur et une deuxième turbine liés ensemble via un deuxième arbre, une deuxième chambre de combustion recevant les gaz en provenance de la première turbine et délivrant en sortie un flux de gaz à la deuxième turbine, le deuxième étage formant un étage basse pression et le premier étage formant un étage haute pression, le deuxième compresseur délivrant de l’air comprimé vers le premier compresseur . L'utilisation de deux étages permet d'atteindre un rendement thermodynamique plus élevé que dans la configuration à un seul étage. Selon une réalisation, le dispositif peut comprendre en outre une première machine électrique liée au premier arbre, si un deuxième étage est présent une deuxième machine électrique liée au deuxième arbre. Chaque machine électrique peut être utilisée en moteur pour le démarrage du dispositif turbogénérateur, et ensuite en fonctionnement établi, chaque machine électrique est utilisée en génératrice pour produire de l’électricité, notamment à destination de la batterie du véhicule ou d’un moteur de traction. Selon une réalisation, la différence de pression notée P1-P2, entre une première pression P1 régnant dans la première conduite d’alimentation en amont de la restriction de section et une deuxième pression P2 régnant à l’endroit de la restriction de section, est comprise entre 100 millibars et 500 millibars. On note que la pression P1 est de l’ordre de 5 bars à 10 bars. La présente invention vise aussi un véhicule automobile comprenant un dispositif turbogénérateur tel que défini précédemment. 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 : FIG. 1 illustre schématiquement un système de turbomachine, autrement appelé ici dispositif turbogénérateur, pour véhicule automobile, dans une version à un étage de compression, avec un artifice de recirculation selon la présente invention ; FIG. 2 illustre schématiquement une zone de restriction de section provoquant un effet Venturi ; FIG. 3 illustre schématiquement un système de turbomachine pour véhicule automobile, dans une version à deux étages de compression, avec un artifice de recirculation selon la présente invention ; FIG. 4 illustre schématiquement un exemple de variante de système de turbomachine avec une pompe de recirculation ; FIG. 5 illustre schématiquement un autre exemple de variante de système de turbomachine avec une injection de la recirculation en amont de l’échangeur récupérateur. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Pour des raisons de clarté de l'exposé, certains éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle. Les convertisseurs d’énergie de type turbine à gaz sont considérés comme de possibles solutions de prolongateur d’autonomie («range extender» en langue anglaise) dans les véhicules électriques ou hybrides. On nomme aussi ces convertisseurs plus simplement « turbomachines ». Ce type de 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. Le cycle de turbine à gaz avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe 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). Cette technologie présente les avantages suivants : faible niveau d'émissions, faible niveau de bruit d'émissions, capacité de fonctionner avec plusieurs types de carburants. Ces turbogénérateurs présentent une compacité intéressante, sauf pour ce qui est de l’échangeur récupérateur. Le système de turbomachine proposé ici, autrement appelé dispositif turbogénérateur, peut comporter deux étages de compression ou un seul étage de compression. Sur la FIG. 1 est représenté un système de turbomachine 8 selon la présente invention, à un seul étage pour ce premier mode de réalisation. Le système comprend un premier étage ET1 qui comprend un premier compresseur CP1 et une première turbine TB1 liés ensemble au moyen d’un premier arbre A1. Le système comprend une première chambre de combustion CC1 délivrant un premier flux de gaz F1 à la première turbine TB1 via une conduite chaude 5. Le système comprend un échangeur récupérateur 1 interposé entre la sortie du premier compresseur CP1 et l’entrée de la première chambre de combustion CC1. L’échangeur récupérateur 1 comprend une partie montante 11 et une partie descendante 12 du récupérateur. Dans la partie montante 11, la température s’accroit. Dans la partie descendante 12, la température diminue. Le système comprend une première conduite d’alimentation 3 en air compressé depuis le premier compresseur CP1, jusqu’à une entrée de la première chambre de combustion CC1, en passant par la partie montante 11 de l’échangeur récupérateur. La conduite 18 dirige la sortie de la première turbine TB1 vers la partie descendante du récupérateur 12. La température de l'air est T2 en sortie du compresseur et en entrée du récupérateur 1. La température de l'air est T3 en sortie du récupérateur 1. T3 est substantiellement supérieur à T2, d’une valeur supplémentaire typiquement entre 100°C et 300°C. Avantageusement selon la présente invention, un débit de recirculation de gaz brûlé se joint au débit d'air frais, la température du mélange qui en résulte est notée T4. En sortie de la chambre de combustion CC1, les gaz brulés ont une température T5. T5 est typiquement compris entre 800°C et 950°C. En sortie de la première turbine TB1, les gaz brulés ont une température T6 un peu plus basse que T5. Le système comprend une première machine électrique MG1 reliée au premier arbre, i.e. solidaire en rotation avec le premier arbre A1. Selon la présente invention, il est prévu une conduite de recirculation 2 s’étendant depuis un premier piquage 54 dans la conduite chaude jusqu’à un deuxième piquage 34 dans la première conduite d’alimentation. Il est prévu une restriction de section 33 agencée sur la première conduite d’alimentation à l’endroit du deuxième piquage 34. Comme illustré à la FIG. 2 , la section de passage dans la restriction de section est notée S2 alors que la section de passage dans la section courante en amont 31 et en aval 32 de la restriction est notée S1. On a S1xV1 = S2xV2 où V1 est la vitesse d’écoulement en section courante en amont 31 et en aval 32 de la restriction, et où V2 est la vitesse d’écoulement dans la restriction de section 33. L'addition des débits donne F4 = F3 + F2. Le taux de recirculation est défini par le ratio F2 / F4 où F4 est le débit massique entrant dans la première chambre de combustion, et F2 est le débit massique circulant dans la conduite de recirculation. Le débit F3 représente le flux de sortie de l’échangeur récupérateur 1. Le taux de recirculation (F2/F4) est compris entre 5% et 35%. La pression P1 est la pression régnant dans la première conduite d’alimentation en amont de la restriction de section. La deuxième pression P2 est la pression régnant dans la restriction de section. Dans une réalisation type, la différence de pression notée P1 - P2 est comprise entre 100 millibars et 500 millibars. On remarque que comme connu en soi, P1-P2 est inversement proportionnel au ratio S2/S1. La température T4 cible en entrée de la première chambre de combustion CC1 est de l'ordre de 450°C. On peut dimensionner un réchauffement souhaité de l'air compressé vers cette température cible avec d'une part la contribution de l'échange récupérateur et d'autre part la contribution de l'apport des gaz recirculé qui arrive à une température voisine de la sortie de la chambre de combustion c'est-à-dire au moins 800°C. La personne du métier comprend que plus le taux de recirculation est conséquent, plus on peut dimensionner à la baisse l'échangeur récupérateur. Sur la FIG. 3 est représenté un schéma système d'une turbomachine selon un deuxième mode de réalisation avec deux étages de compression. Tous les éléments qui ont été commentés à propos du premier mode de réalisation son supposés être identiques ou similaires et ne sont pas décrits à nouveau ici. Un premier étage ET1, ici dit haute pression est similaire à ce qui a été décrit précédemment, il comprend un compresseur haute pression CP1 (‘premier’ compresseur) et une turbine haute pression TB1(‘première’ turbine), ces deux entités étant liées ensemble via le premier arbre A1. Un deuxième étage ET2 dit basse pression comprend un compresseur basse pression CP2 (‘deuxième’ compresseur) et une turbine basse pression TB2 (‘deuxième’ turbine), ces deux entités étant liées ensemble au moyen d’un deuxième arbre A2. Ce deuxième arbre A2 entraine une deuxième machine électrique MG2 qui est utilisée essentiellement en génératrice et accessoirement en moteur pour la phase de démarrage du deuxième étage. Le deuxième étage ET2 comprend une deuxième chambre de combustion CC2. Dans la configuration à deux étages, la sortie de la première turbine est dirigée vers la deuxième chambre de combustion CC2. La deuxième chambre de combustion CC2 délivre un flux de gaz à la deuxième turbine TB2 à la température T7. La sortie de la deuxième turbine TB2 délivre un flux F8 qui est dirigée vers la partie descendante de l’échangeur récupérateur 1 via la conduite 18. En outre, un filtre à air AF est disposé en amont du compresseur basse pression CP2. Le filtre à air admet un air frais à température T1. De plus, un échangeur de refroidissement IC (‘intercooler’) refroidit l'air prélevé en sortie du compresseur basse pression est amené en entrée du compresseur haute pression CP1. La première chambre de combustion CC1 et la deuxième chambre de combustion CC2 sont par ailleurs chacune alimentée par un combustible hydrocarbure. Le combustible hydrocarbure est par exemple du méthanol ou de l’éthanol. L’échangeur récupérateur prélève des calories issues du flux de sortie F8 de la deuxième turbine TB2 et les transfère à destination du flux sortant du premier compresseur CP1. La FIG. 5 diffère de la FIG. 3 en ce que la restriction de section est remplacée par une pompe active 27 sur le circuit de recirculation. Par conséquent, on peut énoncer que, de façon générique, il est prévu un moyen de recirculation (Venturi ou pompe) pour faire circuler des gaz brûlés depuis la conduite chaude 5 jusqu’à la première conduite d’alimentation 3. La FIG. 4 diffère de la FIG. 3 en ce que le point d'introduction du flux de recirculation est situé en amont de l'échangeur régénérateur au lieu de en aval de ce dernier. Une restriction à Venturi 33’ ou une pompe peut être utilisé comme moyen de recirculation. Dispositif turbogénérateur (8), comprenant un premier étage (ET1) qui comprend un premier compresseur (CP1) et une première turbine (TB1) liés ensemble via un premier arbre (A1), une première chambre de combustion (CC1) délivrant un premier flux de gaz (F1) à la première turbine via une conduite chaude (5), un échangeur récupérateur (1) interposé entre la sortie du premier compresseur (CP1) et l’entrée de la première chambre de combustion (CC1), une première conduite d’alimentation (3) en air compressé qui s’étend depuis la sortie du premier compresseur (CP1), jusqu’à une entrée de la première chambre de combustion (CC1), en passant par l’échangeur récupérateur, caractérisé en ce que le dispositif comprend une conduite de recirculation (2) s’étendant depuis un premier piquage (54) dans la conduite chaude (5) jusqu’à un deuxième piquage (34) dans la première conduite d’alimentation (3), et il est prévu un moyen de recirculation pour faire circuler des gaz brûlés depuis la conduite chaude (5) jusqu’à la première conduite d’alimentation (3). Dispositif turbogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de recirculation est formé par une restriction de section agencée (33) sur la première conduite d’alimentation à l’endroit du deuxième piquage (34). Dispositif turbogénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de recirculation est formé par une pompe (27). Dispositif turbogénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième piquage (34) est situé en aval de l’échangeur récupérateur (1). Dispositif turbogénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième piquage (34) est situé en amont de l’échangeur récupérateur. Dispositif turbogénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le taux de recirculation (F2/F4) est compris entre 5% et 35%. Dispositif turbogénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre un deuxième étage (ET2) qui comprend un deuxième compresseur (CP2) et une deuxième turbine (TB2) liés ensemble via un deuxième arbre (A2), une deuxième chambre de combustion (CC2) recevant les gaz en provenance de la première turbine (TB1) et délivrant en sortie un flux de gaz à la deuxième turbine (TB2), le deuxième étage (ET2) formant un étage basse pression et le premier étage (ET1) formant un étage haute pression, le deuxième compresseur (CP2) délivrant de l’air comprimé vers le premier compresseur (CP1). Dispositif turbogénérateur selon la revendication 7, comprenant en outre une première machine électrique (MG1) liée au premier arbre (A1), une deuxième machine électrique (MG2) liée au deuxième arbre (A2). Dispositif turbogénérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la différence de pression notée P1-P2, entre une première pression P1 régnant dans la première conduite d’alimentation en amont de la restriction de section et une deuxième pression P2 régnant à l’endroit de la restriction de section, est comprise entre 100 millibars et 500 millibars. Véhicule automobile comprenant un dispositif turbogénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.