INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
La présente demande consiste à fournir un procédé de préparation d'un composite fibreux d'électrode positive ternaire, dans lequel un précurseur à fibre coaxiale avec une structure de noyau-enveloppe est pré-construit par le procédé d'électrofilage coaxial, puis la fibre est revêtue d'une couche de polymère contenant de l'azote sur la surface par le procédé de greffage de polymère. Après frittage à haute température, les deux couches du précurseur à fibre fusionnent pour former un composite de carbone d'électrode positive ternaire, et le revêtement polymère externe contenant de l'azote est converti en une couche de carbone contenant de l'azote qui préserve efficacement la morphologie de fibre tout en améliorant efficacement la conductivité globale du matériau.
Dans un premier aspect, la présente demande fournit un procédé de préparation d'un composite fibreux d'électrode positive ternaire, comprenant les étapes suivantes : (1) dissoudre une source de cobalt, une source de nickel, une source de manganèse et un polymère structurel dans un solvant A pour préparer une solution de filage I, et dissoudre une source de lithium et un polymère structurel dans le solvant A pour préparer la solution de filage II ; (2) effectuer un traitement d'électrofilage en utilisant des aiguilles coaxiales et avec la solution de filage I en tant que solution de filage interne et la solution de filage II en tant que solution de filage externe, et sécher un tissu préparé pour obtenir un précurseur à fibre coaxiale a ; (3) dissoudre un monomère de polymérisation contenant de l'azote dans un solvant B, puis imprégner complètement le précurseur à fibre coaxiale a avec la solution, ajouter un catalyseur pour initier une réaction de polymérisation du monomère de polymérisation contenant de l'azote, effectuer une filtration et un séchage à la fin de la réaction pour obtenir un précurseur à fibre coaxiale b ; la source de cobalt, la source de nickel, la source de manganèse, la source de lithium et le polymère structurel étant insolubles dans le solvant B ; et (4) calciner le précurseur à fibre coaxiale b entre 700 et 900 °C pendant 10 à 15 h sous atmosphère protectrice pour obtenir le composite fibreux d'électrode positive ternaire.
Dans le procédé de préparation d'un composite fibreux d'électrode positive ternaire de la présente demande, le précurseur à fibre coaxiale est préparé par le procédé d'électrofilage coaxial avec des sources de cobalt, de nickel et de manganèse en tant que couche interne et une source de lithium en tant couche externe, et les deux couches interne et externe sont fixées morphologiquement avec le polymère structurel. Ensuite, un monomère de polymérisation contenant de l'azote est ensuite introduit dans le précurseur, et un revêtement polymère contenant de l'azote mince est greffé sur la surface du précurseur avec le polymère structurel contenu dans le précurseur en tant que sites de greffage. Lorsque de l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-manganèse est généré dans le précurseur pendant le frittage à haute température, les sources de cobalt, nickel et manganèse de la couche interne et la source de lithium de la couche externe sont cristallisées. Cependant, en raison de positions structurelles différentes, les deux couches présentent des tendances de contrainte opposées. La contrainte de retrait globale du matériau est considérablement réduite. La couche interne et la couche externe fusionnent ensemble. Le polymère contenant de l'azote greffé sur la couche externe va, d'une part, se carboniser en une couche de carbone contenant de l'azote à conductivité élevée pendant le frittage à haute température, et d'autre part, soutenir efficacement la fibre coaxiale et préserver sa morphologie. Le composite fibreux à électrode positive ternaire final présente non seulement une conductivité électrique élevée, mais maintient également une structure de réseau de fibres relativement complète, et présente également une grande surface spécifique, des sites de désintercalation-intercalation de lithium abondants, une proportion élevée de matériaux de triade actifs et d'excellentes performances électrochimiques.
De préférence, la source de cobalt, la source de nickel et la source de manganèse sont des sels solubles ; la source de lithium est du carbonate de lithium, le polymère structurel est du polyimide, et le solvant A est du N,N-diméthylformamide (DMF).
Plus préférablement, la source de cobalt est au moins un parmi l'acétate de cobalt et le nitrate de cobalt, la source de nickel est au moins un parmi l'acétate de nickel et le nitrate de nickel, et la source de manganèse est l'acétate de manganèse.
Il convient de noter que la source de cobalt, la source de nickel, la source de manganèse et la source de lithium dans la présente demande peuvent être choisies parmi d'autres sels solubles qui sont solubles dans le solvant A en plus des sels préférés. Tant que les sels peuvent être préparés en solutions pour un électrofilage et produire directement de l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-manganèse par la suite, le type de sel n'est pas limité par la plage préférée.
De préférence, l'élément cobalt dans la source de cobalt, l'élément nickel dans la source de nickel et l'élément manganèse dans la source de manganèse présentent un rapport molaire de x:y:(1-x-y), où x = 0,01 à 0,1.
De préférence, le polymère structurel présente une concentration massique de 5 à 15 % en poids dans la solution de filage I et dans la solution de filage II, les ions cobalt, les ions nickel et les ions manganèse présentent une concentration totale de 0,4 à 0,8 mmol/g dans la solution de filage I, et les ions lithium présentent une concentration de 0,4 à 0,8 mmol/g dans la solution de filage II.
Les aubes fixes, non représentées, de la turbine haute pression THP sont fixées au carter 363. Les aubes rotatives 106 de la turbine haute pression THP sont fixées au deuxième arbre rotatif de transmission.
Les aubes fixes, non représentées, de la turbine basse pression TBP sont fixées au carter 190. Les aubes rotatives 108 de la turbine basse pression TBP sont fixées au premier arbre rotatif de transmission.
En fonctionnement, l'air s'écoule à travers la soufflante rotative 28 et une première partie FP (flux primaire FP) du flux d'air est acheminée à travers le compresseur basse pression CBP et le compresseur haute pression CHP, dans lesquels le flux d'air est comprimé et envoyé à la chambre de combustion 160. Les produits de combustion chauds (gaz d’échappement, non représentés sur les figures) provenant de la chambre de combustion 160 sont utilisés pour entraîner les turbines THP et TBP et produire ainsi la poussée de la turbomachine 100. Les gaz d’échappement produits par la combustion de l’hydrogène dans la chambre 160 de combustion de la turbomachine 100 contiennent de la vapeur d’eau et sont envoyés dans le flux primaire FP successivement en aval dans les aubes 106 de la turbine haute pression THP, puis dans les aubes 108 de la turbine basse pression TBP.
Les aubes 108 rotatives de la turbine basse pression TBP entraînent les aubes rotatives 120 du compresseur basse pression CBP en rotation autour de l’axe AX sous l'effet de la poussée des gaz de combustion provenant de la chambre de combustion 160. Les aubes rotatives 106 de la turbine haute pression THP entraînent les aubes rotatives 104 du compresseur haute pression CHP en rotation autour de l’axe AX sous l'effet de la poussée des gaz de combustion provenant de la chambre de combustion 160.
La turbomachine 100 comprend également une veine secondaire 390 qui est utilisée pour faire passer un flux secondaire FS du flux d'air évacué de la soufflante rotative 28 autour du carter inter-veine 360. Plus précisément, la veine secondaire 390 s'étend entre une paroi interne 350 d'un carénage 300 ou nacelle 300 et le carter inter-veine 360 entourant le moteur à turbine à gaz central 130. Des bras non représentés relient le carter intermédiaire 260 à la paroi interne 350 du carénage 300 dans la veine secondaire 390 du flux secondaire FS.
La turbine basse pression TBP comporte dans sa partie aval suivant la direction AX un carter arrière 101 délimitant un conduit annulaire 102 de sortie des gaz G d’échappement de la turbomachine 100, contenant de la vapeur d’eau issue de la combustion de l’hydrogène dans la chambre 160 de combustion. Le carter arrière 101 est relié en aval à la tuyère 370 d’éjection des gaz. Le carter arrière 101 comporte une paroi extérieure 1012 annulaire et une paroi intérieure 1011 annulaire, reliée à la paroi extérieure 1012 annulaire par des bras (non représentés et pouvant être sensiblement radiaux). La paroi extérieure 1012 annulaire, la paroi intérieure 1011 annulaire et les bras du carter arrière 101 délimitent entre eux le conduit annulaire 102 de sortie des gaz G d’échappement. Entre la paroi intérieure 1011 annulaire et les aubes rotatives 106 de la turbine haute pression THP se trouve également un autre conduit annulaire 103 de sortie des gaz G d’échappement, qui communique par ailleurs avec le conduit annulaire 102 de sortie des gaz G d’échappement. La paroi intérieure 1011 annulaire délimite intérieurement l’autre conduit annulaire 103 de sortie des gaz G d’échappement.
La turbomachine 100 comprend un échangeur de chaleur 200a ou 200b ou 200c ou 200d, situé en aval de la turbine basse pression TBP et en amont de la tuyère 370 d’éjection du flux primaire.
Ci-dessous, l’échangeur 200a ou 200b ou 200c ou 200d de chaleur de la turbomachine aéronautique 100 suivant l’invention est décrit dans différents modes de réalisation en référence aux figures 1A, 1B, 1C, 1D, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 5C, 6 et 7.
Dans les modes de réalisation représentés à titre d’exemple aux figures 1A, 1B, 1C, 1D, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 5C, 6 et 7, l’échangeur 200a ou 200b ou 200c ou 200d de chaleur comporte une paroi creuse 202 ou plusieurs parois creuses 201, 202, 203. L’intérieur 302 (ou 301, 302, 303 ; 302) de la paroi creuse 202 ou des parois creuses 201, 202, 203 est délimité par une (ou plusieurs) première surface 206 de celle-ci et délimite un premier conduit 302 de passage d’un fluide R de refroidissement ou plusieurs conduits 301, 302, 303 de passage d’un fluide R de refroidissement. La paroi creuse 202 ou les parois creuses 201, 202, 203 jouxte par une (ou plusieurs) deuxième surface 205 de condensation de l’eau liquide un espace 204, lequel est séparé de l’intérieur 302 (ou 301, 302, 303 ; 302) de la paroi creuse 202 ou des parois creuses 201, 202, 203. L’intérieur 302 (ou 301, 302, 303 ; 302) de la paroi creuse 202 ou des parois creuses 201, 202, 203 est délimité par la (ou les) deuxième surface 205 de condensation de l’eau liquide et est en contact avec le gaz G d’échappement de la turbomachine.
La (ou les) deuxième surfaces 205 de l’échangeur 200a ou 200b ou 200c ou 200d de chaleur comporte un (ou plusieurs) bord aval 304 de récupération de l’eau liquide W condensée sur la (ou les) deuxième surface 205. L’échangeur 200a ou 200b ou 200c ou 200d de chaleur comporte un collecteur 305 d’eau liquide par gravité, qui est relié au bord aval 304 (ou aux bords aval 304) et qui est positionné sous celui-ci. Le (ou les) bord aval 304 de récupération et le collecteur 305 sont configurés pour recueillir l’eau liquide et condensée W, présente sur la (ou les) deuxième surface 205 de condensation. Le collecteur 305 d’eau liquide peut collecter l’eau liquide par gravité avec entraînement / forçage par extraction d’une fraction des gaz d’échappement.
Ainsi, le fluide R de refroidissement permet de refroidir la paroi creuse 202 ou les parois creuses 201, 202, 203 et provoque la condensation de l’eau W du flux de gaz G d’échappement contre la (ou les) deuxième surface 205. La (ou les) surface extérieure 205 forme donc un condenseur surfacique d’eau liquide, incorporé à l’échangeur 200a ou 200b ou 200c ou 200d de chaleur. La (ou les) deuxième surface 205 est donc une (ou plusieurs) deuxième surface 205 de condensation d’eau.
Ainsi, le flux de gaz G d’échappement à la sortie de l’échangeur 200a ou 200b ou 200c ou 200d de chaleur contient moins d’eau. L’eau condensée W à l’état liquide sur la (ou les) deuxième surface 205 de l’échangeur 200a ou 200b ou 200c ou 200d de chaleur ruisselle en direction du (ou des) bord aval 304, en étant poussée par le flux de gaz G d’échappement passant dans l’espace 204 de l’amont vers l’aval.
Dans un premier mode de réalisation, représenté à titre d’exemple aux figures 1A, 2A, 2B et 3A, l’échangeur 200a de chaleur comporte une paroi interne 201 entourant l’axe AX, une paroi externe 202 entourant la paroi interne 201 autour de l’axe AX et des parois 203 de liaison fixées entre la paroi interne 201 et la paroi externe 202. La paroi interne 201 peut être par exemple cylindrique circulaire autour de l’axe AX. La paroi externe 202 peut être par exemple cylindrique circulaire autour de l’axe AX. Les parois 203 de liaison peuvent être sensiblement radiales. Bien entendu, la paroi interne 201, la paroi externe 202 et les parois 203 de liaison pourraient avoir une autre forme.
Dans ce premier mode de réalisation, la paroi interne 201, la paroi externe 202 et les parois 203 de liaison sont intégrées au carter arrière 101. Par exemple, la paroi interne 201 peut être intégrée à la paroi intérieure 1011 annulaire du carter arrière 101. Par exemple, la paroi externe 202 peut être intégrée à la paroi extérieure 1012 annulaire du carter arrière 101.
La paroi interne 201, la paroi externe 202 et les parois 203 de liaison sont creuses. Dans ce premier mode de réalisation, le terme « intérieur » signifie intérieur aux parois creuses 201, 202, 203, c’est-à-dire qualifie les surfaces intérieures 206, qui délimitent les creux dans les parois creuses 201, 202, 203. La paroi interne 201, la paroi externe 202 et les parois 203 de liaison ont les premières surfaces intérieures 206, qui délimitent le premier conduit 301 de passage d’un fluide R de refroidissement situé dans la paroi interne 201, le deuxième conduit 302 de passage du fluide R de refroidissement situé dans la paroi externe 202 et les troisièmes conduits 303 de passage du fluide R de refroidissement situés dans les parois 203 de liaison. Les conduits 301, 302 et 303 communiquent entre eux. Bien entendu, il peut prévu seulement un ou plusieurs troisièmes conduits 303 dans un ou plusieurs des parois 203 sans les autres conduits 301 et/ou 302, dans le cas où seulement la ou les parois 203 de liaison est creuse. Bien entendu, il peut prévu seulement le premier conduit 301 de passage dans tout ou partie de la paroi interne 201 sans les autres conduits 302 et/ou 303 dans le cas où seulement la ou les parois internes 201 est creuse. Bien entendu, il peut prévu seulement le deuxième conduit 302 de passage dans tout ou partie de la paroi externe 202 sans les autres conduits 301 et/ou 303 dans le cas où seulement la ou les parois 202 externes est creuse. Bien entendu, les conduits 301, 302 et 303 pourraient ne pas communiquer entre eux.
La paroi interne 201, la paroi externe 202 et les parois 203 de liaison ont les deuxièmes surfaces 205 de condensation de l’eau liquide, qui sont exposées au flux des gaz G d’échappement. Les deuxièmes surfaces 205 de la paroi interne 201, de la paroi externe 202 et des parois 203 de liaison délimitent des secteurs 204, dans lesquels passe le flux des gaz G d’échappement suivant la direction axiale AX de l’amont vers l’aval. Les secteurs 204 de passage de passage des gaz G d’échappement qui sont situés dans le conduit annulaire 102 de sortie de gaz d’échappement en aval de ce dernier.
Les turbomachines ayant comme carburant l’hydrogène ou un autre combustible stocké de manière cryogénique nécessitent un échangeur de chaleur pour réchauffer l’hydrogène ou autre combustible stocké de manière cryogénique afin de le faire changer de l’état liquide à l’état gazeux et de l’amener à des conditions compatibles de l’injection.
Les turbomachines utilisées pour la propulsion d’avions émettent des particules et de la vapeur d’eau, génératrices de trainées de condensation. L’impact de ces trainées de condensation sur le climat n’est pas encore tout à fait quantifié, mais il pourrait être comparable à celui des émissions de dioxyde de carbone pour l’aviation. Dans le cadre d’une tentative de décarbonation de l’aviation, la piste de la combustion de dihydrogène est étudiée. L’impact positif de ce changement de combustible est le remplacement du dioxyde de carbone comme produit de combustion par de l’eau, ainsi que la suppression quasi-totale des particules et suies émises par les moteurs.
En revanche, les moteurs à hydrogène seraient amenés à produire 2.6 fois plus de vapeur d’eau à iso puissance, par rapport à un moteur conventionnel au kérosène. L’impact sur le climat des trainées de condensation d’eau issues de la combustion d’hydrogène pourrait être rédhibitoire pour cette nouvelle technologie en annihilant totalement le bénéfice de la décarbonation du combustible.
L’invention vise à obtenir une turbomachine aéronautique à hydrogène ou autre combustible stocké de manière cryogénique, diminuant l’impact de la production d’eau issue de la combustion de l’hydrogène ou d’autre combustible stocké de manière cryogénique et s’intégrant bien à la turbomachine sans augmenter notablement son encombrement en plus d’un échangeur de chaleur et sans diminuer notablement la poussée de la turbomachine.
A cet effet, un premier objet de l’invention est une turbomachine aéronautique à hydrogène ou autre combustible stocké de manière cryogénique, comportant une turbine, comportant un carter délimitant un conduit annulaire de sortie de gaz d’échappement de la turbomachine, contenant de la vapeur d’eau, un échangeur de chaleur, situé en aval de la turbine, caractérisée en ce que l’échangeur de chaleur comporte au moins une paroi creuse dont l’intérieur délimité par au moins une première surface de la paroi creuse délimite un premier conduit de passage d’un fluide de refroidissement, la paroi creuse jouxtant par une deuxième surface de condensation de l’eau liquide un espace, qui est séparé de l’intérieur de la paroi creuse, qui est délimité par la deuxième surface de condensation de l’eau liquide et qui est en contact avec le gaz d’échappement de la turbomachine, la deuxième surface de condensation de l’eau liquide appartenant à la paroi creuse et étant distincte de la première surface, la deuxième surface de condensation de l’échangeur de chaleur comportant au moins un bord aval de récupération de l’eau liquide, l’échangeur de chaleur comportant un collecteur d’eau liquide par gravité, qui est relié au bord aval de récupération sous celui-ci, le bord aval de récupération et le collecteur d’eau liquide étant configurés pour recueillir l’eau liquide et condensée, présente sur la deuxième surface de condensation.
L’invention permet ainsi de capter une partie de la vapeur d’eau avant sa sortie du moteur pour éviter qu’elle sorte directement sous la forme de trainée de condensation vers l’extérieur. La (ou les) deuxième surface de l’échangeur de chaleur forme un condenseur surfacique, qui présente l’avantage de limiter les pertes de charge du flux de gaz de combustion lorsque ceux-ci traversent l’échangeur et donc de ne pas diminuer notablement la poussée. La captation de l’eau est réalisée de manière semi-passive et localisée à un emplacement limitant l’impact de la captation sur les performances du moteur.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, l’échangeur de chaleur comporte une paroi interne, une paroi externe entourant la paroi interne et des parois de liaison fixées entre la paroi interne et la paroi externe, la paroi interne et/ou la paroi externe et/ou les parois de liaison étant creuses et ayant lesdites premières surfaces délimitant respectivement un premier conduit de passage d’un fluide de refroidissement et/ou un deuxième conduit de passage d’un fluide de refroidissement et/ou des troisièmes conduits de passage d’un fluide de refroidissement, la paroi interne, la paroi externe et les parois de liaison étant intégrées au carter arrière et ayant lesdites deuxièmes surfaces de condensation de l’eau liquide, délimitant des secteurs de passage de passage des gaz d’échappement, qui sont situés dans le conduit annulaire de sortie de gaz d’échappement.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le carter arrière comporte une paroi intérieure annulaire délimitant intérieurement le conduit annulaire de sortie des gaz d’échappement, la paroi creuse de l’échangeur est située en aval du carter arrière, l’espace étant situé en aval du conduit annulaire de sortie de gaz d’échappement.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le carter arrière comporte une paroi extérieure annulaire et une paroi intérieure annulaire, qui délimitent entre elles le conduit annulaire de sortie des gaz d’échappement, la paroi creuse de l’échangeur est située en aval du carter arrière, l’espace étant situé en aval du conduit annulaire de sortie de gaz d’échappement.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la deuxième surface de condensation de l’eau liquide se trouve sur un côté interne de la paroi creuse de l’échangeur, ce côté interne de la paroi creuse étant entouré par l’intérieur de la paroi creuse, l’espace de passage des gaz d’échappement étant entouré par la paroi creuse et par le premier conduit de passage du fluide de refroidissement, un côté externe de la paroi creuse entourant le premier conduit de passage du fluide de refroidissement, le côté interne de la paroi creuse et l’espace de passage des gaz d’échappement, au moins une entrée est prévue dans le côté interne de la paroi creuse pour faire entrer les gaz d’échappement dans l’espace, au moins une sortie est prévue dans le côté externe de la paroi creuse pour faire sortir les gaz d’échappement, la sortie étant située plus en aval que l’entrée.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la deuxième surface de condensation de l’eau liquide se trouve sur un côté interne de la paroi creuse de l’échangeur, ce côté interne de la paroi creuse étant entouré par l’intérieur de la paroi creuse, l’espace de passage des gaz d’échappement étant entouré par la paroi creuse et par le premier conduit de passage du fluide de refroidissement, un côté externe de la paroi creuse entourant le premier conduit de passage du fluide de refroidissement, le côté interne de la paroi creuse et l’espace de passage des gaz d’échappement, au moins une entrée est prévue dans le côté interne de la paroi creuse pour faire entrer les gaz d’échappement dans l’espace , au moins une sortie est prévue dans le côté interne de la paroi creuse pour faire sortir les gaz d’échappement, la sortie étant située plus en aval que l’entrée.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le bord aval de récupération comporte un réseau de gouttières convergeant au collecteur d’eau liquide.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le bord aval de récupération comporte sur la partie aval de la paroi interne ou du côté interne au moins une gouttière interne d’écoulement de l’eau liquide, le bord aval de récupération comporte sur la partie aval de la paroi externe ou du côté interne au moins une gouttière externe d’écoulement de l’eau liquide.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le bord aval de récupération comporte sur la partie aval de chaque paroi de liaison au moins une gouttière radiale d’écoulement de l’eau liquide.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la gouttière radiale d’écoulement de l’eau liquide de chaque paroi de liaison est délimitée par un bec amont faisant un angle aigu entre chaque surface extérieure de condensation de la paroi de liaison et une surface intermédiaire reliant entre elles les deux surfaces extérieures de condensation de la paroi de liaison, les becs amont et la surface intermédiaire délimitant en amont la gouttière radiale d’écoulement de l’eau liquide, une surface aval de fond de gouttière étant prévue à distance et en aval de la surface intermédiaire et délimitant en aval la gouttière radiale d’écoulement de l’eau liquide.