WO2017098144A1 - Générateur hybride de puissance ou de poussée et véhicule comportant un tel générateur - Google Patents

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electric power
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Jean-François GENESTE
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Definitions

  • the invention belongs to the field of generating power or thrust.
  • the invention relates to a hybrid power or thrust generator combining on a generator the use of hydrocarbon fuels and electricity in the generation of power or thrust.
  • the invention relates to a hybrid generator suitable for embedded applications in which the criteria of efficiency, mass and reliability are particularly critical, as for example for aircraft.
  • This type of vehicle known in particular in the automotive field, is considered hybrid in the sense that it is powered by two modes of energy, electrical and thermal, used alternately.
  • thermodynamic thruster capable of operating in a high-speed ramjet mode and in a "low" speed turbojet mode.
  • the compressor stages of the air intake diffuser used in the low-speed turbojet engine mode are rotated by electric motors, powered by batteries or fuel cells, which replace the turbine stages of the turbines. conventional turbojets.
  • the operation is hybrid in that it comprises two independent operating modes, the "stato" mode and the “turbo” mode, the turbo mode being a thermodynamic engine without turbine which in this case also requires a electric source to operate.
  • thermodynamic machine comprising a compressor, a combustion chamber, in which a fuel is burned with air, and a turbine of a rotating assembly.
  • the shaft of the rotating assembly is coupled with a turbine operating with a working fluid in a closed circuit recovering heat on the operation of the turbine in open circuit.
  • a turbine operating with a working fluid in a closed circuit recovering heat on the operation of the turbine in open circuit.
  • an electric motor / alternator used to rotate the rotating part to start the turbine, used as an electric generator when the turbine is started, and a coupled mechanical power take-off. to the rotating shaft.
  • the generator is here considered hybrid in the sense that it produces mechanical energy and electrical energy, but without particular complementarity in the operation of the generator.
  • the present invention provides a solution to the problems of the prior art by means of a hybrid power or thrust generator combining a conventional turbine engine powered by a fuel in the liquid or gaseous phase and an electric power generator supplying energy to the engine. an electric motor mechanically coupled to the turbine engine.
  • a hybrid power or thrust generator comprises at least one turbine engine and at least one electric power generator.
  • the electric power generator or generators are electrically connected to the electric motor or motors, and each electric motor is mechanically coupled in rotation to at least one rotating part of a turbine engine and the electric power generator (s) are in simultaneous operation. with said turbine thermodynamic engine for powering the electric motor or motors in order to reduce the power taken from at least one turbine of said turbine engine in operation.
  • the at least one electric power generator comprises at least one thermoacoustic motor driving a linear electric alternator. It is thus generated electrical power that can be produced by a heat source resulting from the combustion of a fuel, or other heat source, by means of a quiet and reliable engine as having no moving parts other than the pistons and cores associated with a linear electric motor for generating an acoustic wave in the thermoacoustic engine and associated with a linear electric alternator for generating electrical energy from the amplified acoustic wave in the thermoacoustic engine.
  • At least one cold source of an engine thermoacoustics implements a fuel also used by thermodynamic engines with turbine, and or used by thermoacoustic engines.
  • the fuel is a cryogenic fuel stored in the liquid state at a temperature below 120 K, for example cryogenic liquid methane.
  • a cold source of substantially constant characteristic which, in the case of a cryogenic fuel, makes it possible to increase the efficiency of the thermoacoustic motor by lowering the temperature of the cold source to a temperature substantially lower than the ambient temperature.
  • the fuel initially in the liquid state can be brought to the gaseous state, or at a temperature close to its gasification, by the heat that is brought to it in the cold exchanger (s) of the thermoacoustic engine (s), which simplifies its operation. injection into burners and promotes complete combustion.
  • At least one heat source of at least one thermoacoustic motor uses, for at least a portion of the amount of heat supplied to one or more heat exchangers of said thermoacoustic engine, the combustion of a fuel also used. to supply the turbine engine or thermodynamic engines. In this way it is necessary to have only one type of fuel to power the hybrid generator.
  • At least one hot source of at least one thermoacoustic motor uses, for at least a portion of the amount of heat supplied to one or more hot heat exchangers of the thermoacoustic engine under consideration, a quantity of heat taken from a or thermodynamic turbine engines at a combustion chamber (23) and or turbine stages (222, 212) of the engines considered.
  • a quantity of heat taken from a or thermodynamic turbine engines at a combustion chamber (23) and or turbine stages (222, 212) of the engines considered it is advantageous to use a quantity of heat produced by the thermodynamic turbine engine (s) to produce electrical energy without it being necessary to install specific electric generators on turbine engine thermodynamic engines.
  • the electric power generator is sized to deliver an electrical power equal to or greater than 10% of a thermodynamic power of a continuous operating regime in service of at least one hybrid turbine engine of the hybrid generator .
  • the electric power generator is also sized to deliver an electric power less than or equal to a power thermodynamics of a continuous operating regime in service of at least one hybrid turbine engine thermodynamic engine.
  • thermodynamic turbine engines used as turbojet engines or as turbine engines
  • the latter will advantageously have the minimum dimensions to generate the flow necessary for propulsion that an increase the electrical supply by the power source will not effectively reduce in particular considering the propulsive performance.
  • the turbine engine thermodynamic if necessary several thermodynamic turbine engines implemented in the hybrid generator, are arranged in turbojet or turboprop units.
  • the hybrid generator is possible to implement the hybrid generator on jet aircraft, or propellers driven by turbine engines, without it being necessary to question the architectures of known jet aircraft, electric power generators. being advantageously arranged in the structure of the aircraft without major impact on aerodynamic performance.
  • the invention also relates to a vehicle comprising at least one hybrid generator as described above and implemented as a main propulsion device.
  • the vehicle thus benefits from the exposed benefits of the hybrid generator of the invention.
  • At least one electric power generator of the at least one hybrid generator is implemented as a main electrical energy source of servitudes of said vehicle. It is thus possible to eliminate during the design of the vehicle the auxiliary power units as well as the electrical generations mechanically coupled to the thermodynamic motors turbine, solution without inconvenience because the autonomous operation of the power source is possible without putting in the thermodynamic turbine engine.
  • the vehicle comprises at least two hybrid generators, and at least one electric power generator of each of said hybrid generators can be, by reconfigurations of a distribution system of the electrical energy produced by said electric generators. power switch, switched in use to one or other of the turbine thermodynamic engines of each of said hybrid generators, switching affecting all or part of the electrical power.
  • the invention applies in particular to the case of an aircraft, for example a helicopter or an airplane.
  • the electrical power generator of each of the hybrid generators comprises a thermoacoustic engine installed in a fuselage (16) of the aircraft, or in the wings, or in faired volumes of the aircraft structure.
  • the elongated shape of the fuselage lends itself well in this case to the elongated form of the thermoacoustic engine and whose continuous operation in a relative proximity of passengers is compatible with its intrinsically quiet operation.
  • the elongated wingspan shape is also usable provided that it has a sufficient fuel-free volume and the use of faired volumes, of geometry adapted to limit the impacts on the aerodynamic drag, makes it possible to have dedicated spaces for thermoacoustic engines, without penalizing the other volumes of the structure used in particular for the passengers, the freight or the fuel, and facilitating the segregation between the various components of the hybrid generator and the other components of the systems of the aircraft.
  • FIG. 1 illustrates a medium-type twin-jet aircraft comprising two hybrid generators mounted in turbojet engines, detail (a) of the figure illustrating a hybrid generator diagram;
  • thermoacoustic electric generator adapted to the power source.
  • FIG. 1 diagrammatically shows an embodiment of a hybrid generator 100, detail (a) of FIG. 1, according to the invention and an example of which is described in detail with reference, without limitation, to an application to propulsion of a plane 15 by turbojet engines.
  • the turbine engine 20 shown schematically in FIG. 1 is that of a double-body, double-flow reactor. These characteristics, which are advantageous in the context of the search for an overall propulsive performance of a subsonic civil aircraft, are not however indispensable to the implementation of a hybrid generator architecture according to the invention, as will be understood from the following description.
  • thermodynamic turbine engine 20 schematically comprises conventionally:
  • a high-pressure rotating body 22 itself comprising a high-pressure compressor 221 driven in rotation by a high-pressure turbine 222;
  • a low-pressure rotating body 21 itself comprising a low-pressure compressor 21 1 driven in rotation by a low-pressure turbine 212;
  • a combustion chamber 23 located between a zone of compressors and a zone of turbines to provide, by the combustion of a fuel with the oxygen of the air, the energy necessary for the turbines to drive the compressors and to produce a power or, as here, a usable thrust;
  • thermodynamic efficiency of such a machine depends on the efficiency of the compression achieved by the compressor stages 21 1, 221 for which a temperature T1 of the compressor inlet gas must be as low as possible and depends on the efficiency the expansion carried out by the turbine stages 222, 212 which instead require a temperature T4 of the gas, heated in the combustion chamber 23, at the turbine inlet, as high as possible, to improve the thermodynamic efficiency of the reactor.
  • the hybrid generator of FIG. 1 also comprises an electric motor 30 arranged rotatably coupled to at least one of the rotating bodies, and or to the stage of the large diameter compressor 24, for example by means of the gearbox 25.
  • the hybrid generator 100 comprises at least one electric power source 40.
  • the operation of the turbine engine 20 and the electric motor 30 are simultaneous, and not alternative, and are complementary. which has the effect of reducing the power required of each of the two sources of power generation that are said thermodynamic engine and the electric power generator 40.
  • thermodynamic engine and the electric motor This simultaneity of operation thus makes it possible to reduce the mass and the dimensions of each of the thermodynamic engine and the electric motor, and this without necessarily giving up the possibility of an alternative operation of each of the thermodynamic engine and the electric motor as the sole means of production of power or thrust, that this alternative operation is implemented in a normal configuration or in a degraded configuration in case of failure on a thermodynamic motors or electric motors.
  • the source or sources of electrical power 40 can be of any kind, in particular sources in which the electrical energy is stored in electric storage batteries or in super-capacitors or consist of electric generators such as groups auxiliaries of known powers on aircraft.
  • the hybrid generator 100 of the invention comprises at least one electrical power source 40 comprising a thermoacoustic generator 50, an example of which is illustrated schematically in FIG.
  • Thermoacoustic motors are known. Their operation is based on the thermodynamic cycle of a fluid in a closed environment of Stirling engines, but in which the displacement of the fluid ensuring the transport of heat energy is provided by acoustic waves instead of conventional mechanical pistons. The operation of such a thermoacoustic engine is described for example in the French patent application published under the number FR 2971552.
  • thermodynamic cycle is carried out in a chamber 51 comprising at a first end an excitation piston 54 generating an initial acoustic wave and comprising at a second end a driving piston 55 displaced by the amplified acoustic wave, which engine piston drives a linear electric alternator 53.
  • thermoacoustic generator 50 comprises at least one cell comprising, in a manner known in thermoacoustic motors, a cold heat exchanger 56a, 56b which transfers heat Q- to a cold source 60, a hot heat exchanger 57a, 57b which takes heat. heat Q + from a hot source 70 and a regenerator stage located between the cold and hot heat exchangers.
  • the thermoacoustic generator 50 may comprise several cells arranged between the first end and the second end of the chamber 51, and may implement one or more cold sources and or one or more hot sources.
  • the chamber 51 comprises two cells and the excitation piston 54 is actuated by a linear electric motor 52 powered by an electric feedback loop 58 formed between the linear electric alternator 53 and said linear electric motor, the electrical power produced by said linear electric alternator being shared between a useful power WU delivered and a return power WR to said electric feedback loop.
  • thermoacoustic generator 50 as a source of electrical energy input into the hybrid generator 100 has several advantages.
  • thermoacoustic generator 50 makes it possible to produce an electrical power with a better efficiency than a turbomachine because, in the absence of moving parts in the hot parts, the temperatures used in the hot heat exchanger 57a, 57b can reach values much higher than in the case of a turbine and thus achieve thermodynamic efficiencies higher than 70% for an overall efficiency greater than 50% (taking into account the efficiency of alternators) when the yields obtained by reactor turbines hardly reach 40%.
  • thermoacoustic generator 50 is silent.
  • thermoacoustic generator 50 is insensitive to the value of the atmospheric pressure and therefore delivers a power independent of altitude.
  • thermoacoustic generator can, due to the absence of moving parts outside the linear movements of the pistons of the motor and the electric alternator, exceed 20 000h of MTBF, which makes it a disruptive element in the chain propulsion.
  • the hot source 70 can implement the combustion of the same fuel as the reactor 20, which fuel can be used as a cold source before being burned by the thermoacoustic generator and or the turbine engine thermodynamic.
  • thermoacoustic generator 50 delivering an electric power 500 kW.
  • Such power may appear low in comparison with the power generated by the reactors of such an aircraft each delivering a take-off thrust of the order 1500 kN equivalent to about 20000 kW, but this last power only relates to the maximum value of the thrust which is only used by aircraft for take-off or go-around phases.
  • the atmospheric pressure is divided by about a factor of four and the thrust of the reactor is reduced, leading in the above example to an equivalent power of about 3000 kW, the power of the thermoacoustic generator being unchanged as already stated.
  • thermoacoustic generator 50 Under these operating conditions, the power that can be supplied to the thermodynamic turbine engine 20 by the thermoacoustic generator 50 is not negligible since it represents more than 10%, about 15%, over which proportion the hybrid generator 100 benefits from the gain. of the thermoacoustic generator assembly 50 and the electric motor 30.
  • the thermoacoustic generator 50 will be designed to deliver a useful power equal to or less than 50% of the power of the hybrid generator 100 in a mean continuous operating mode of the turbine engine 20.
  • thermoacoustic generator 50 is oversized in favor of a possible distribution of the expected total power of said hybrid generator between said thermoacoustic generator and the turbine engine 20, said distribution being for example managed by a control unit. power or thrust management.
  • the benefit of the hybrid generator 100 is increased because, in a sizing process of said hybrid generator, the power allocated to the turbine engine 20 is reduced, compared to that of a reactor as a single power generator, that produced. by the electrical power source 40, which leads to reduce the size and the mass of the reactor and to increase its reliability accordingly by less stress.
  • thermoacoustic motor 50 can be implemented as an independent on-board power source.
  • the thermoacoustic motor 50 is able to replace the auxiliary power units of airplanes, which serve in particular to start the engines on the ground by supplying compressed air, at least for reactors with more than 1000 kN of take-off thrust, and to provide electricity to the aircraft when the engines are stationary.
  • the implementation of the hybrid generator 100 therefore avoids the installation of conventional auxiliary power units. This also increases significantly the overall reliability of the aircraft.
  • thermoacoustic motor 50 When used as an independent source of electrical energy, it has the superiority of not being a source of noise as are the auxiliary power units turbine.
  • an aircraft can be autonomously driven to the ground by electric wheel motors or by an electric drive of a rotating reactor body 20, for example large diameter compressor 24 (Fan), and the reactors can be started electrically by means of the electric motor 30 as late as possible, just before take-off.
  • This solution makes it possible to limit noise pollution and by hydrocarbons around airport platforms.
  • thermoacoustic motor (s) 50 or power generators 40 In normal operation, i.e. in the event of failure, the thermoacoustic motor (s) 50 or power generators 40 generate electricity independently of the operation of the reactors.
  • thermoacoustic motor 50 is permanent.
  • the turbines of the auxiliary generators most often have a maximum altitude of restarting in flight and that if the aircraft is above this maximum altitude the aircraft must engage a descent with other means of electrical generation, batteries and or wind turbines, until reaching an altitude suitable for re-ignition of the turbine of the auxiliary group.
  • the hybrid generator 100 therefore also eliminates conventional auxiliary power units and electrical generators driven mechanically by the engines, and with gains in mass, ease of installation and reliability.
  • thermoacoustic motors 50 for the production of electric power
  • the advantages of the invention are even more apparent if we consider the use of a fuel cryogenic, for example liquid methane at ambient pressure at the temperature of 1 1 1 k, solution considered today as a possible alternative to kerosene.
  • cryogenic methane can be used to form low temperature cold sources 60, of the order of 150 K, to improve the thermodynamic efficiency of the thermoacoustic generators.
  • the warmed methane, in the cold sources of the thermoacoustic generators and or in the stages of compressors, in particular the high-pressure compressors 221 of the turbine thermodynamic engines 20 whose efficiency will also be improved by a lowering of the temperature before the combustion, will be advantageously gasified so as to facilitate its implementation in the combustion zones, in particular hot springs 70.
  • the heat Q + to be supplied to the hot heat exchangers 57 is transported from hot springs 70 to said heat exchangers by means of heat pipes or coolant circuits, for example a metal in the liquid state. at the temperatures used.
  • the hot springs include, for example, burners fed with kerosene, methane or another fuel.
  • a quantity of heat not used in the turbine engine 20, for example at the outlet of the turbines, is used to increase the temperature of the hot source 70.
  • a hybrid generator 100 may optionally be made by combining one or more thermodynamic turbine engines with one or more electric power generators 40, for example due to installation constraints, unit power constraints of the elements implemented or security constraints.
  • the electrical energy produced by the electrical generator or generators can be distributed in an evolutionary manner as a function of operational conditions to the turbine engine (s).
  • the electrical energy produced by the electrical generator or generators can be distributed in an evolutionary manner as a function of operational conditions to the turbine engine (s).
  • the turbine engine s.
  • the hybrid generator 100 provides an alternative to the power generator or hybrid thrust solutions by introducing to a turbine thermodynamic engine electrical hybridization in simultaneous operation, the energy of which is produced locally by high efficiency electrical generating devices exploiting the existing on-board resources and providing ongoing assistance to conventional power or thrust generators to benefit from the reduction of the maximum powers of the turbine engine, or even a possible temporary substitution at least in a degraded mode.

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Abstract

Le générateur hybride (100) de puissance ou de poussée comporte au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) et au moins un générateur électrique de puissance (40). Un générateur électrique de puissance (40) est connecté électriquement à au moins un moteur électrique (30), couplé mécaniquement en rotation à une ou plusieurs parties tournantes (21, 22, 24) du moteur thermodynamique à turbine et le générateur électrique de puissance fonctionne simultanément avec le moteur thermodynamique à turbine pour alimenter le ou les moteurs électriques pour diminuer la puissance prélevée sur les turbines du moteur thermodynamique à turbine en fonctionnement. Le générateur électrique de puissance (40) peut comporter un moteur thermoacoustique (50) entraînant un alternateur électrique linéaire (53). Le générateur est avantageusement mis en œuvre dans un véhicule, par exemple un avion (15).

Description

GENERATEUR HYBRIDE DE PUISSANCE OU DE POUSSEE ET VEHICULE COMPORTANT UN TEL GENERATEUR
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention appartient au domaine de La génération de puissance ou de poussée.
Plus particulièrement l'invention concerne un générateur de puissance ou de poussée hybride combinant sur un générateur l'usage de carburants hydrocarbures et de l'électricité dans la génération de la puissance ou de la poussée.
Plus particulièrement l'invention concerne un générateur hybride adapté à des applications embarquées dans lesquelles les critères de rendement, de masse et de fiabilité sont particulièrement critiques, comme par exemple pour les aéronefs.
ÉTAT DE L'ART
La génération de puissance ou de poussée, en particulier dans le domaine des applications embarquées, utilise le plus souvent des machines thermiques à cycle de Carnot mettant en œuvre comme source d'énergie la chaleur résultant de la combustion de carburants fossiles, tels que kérosène dans le cas des aéronefs.
La prise de conscience de l'épuisement progressif des carburants fossiles et aussi de leurs effets néfastes sur l'environnement conduit aujourd'hui les concepteurs des générateurs de puissance pour les applications embarquées à rechercher des solutions basées sur l'utilisation de l'énergie électrique.
Si l'utilisation de l'énergie électrique sur des machines fixes au sol ne pose pas de problème particulier du fait d'une alimentation en énergie électrique par des câbles conducteurs dont les longueurs et les masses ne sont pas des contraintes techniquement et économiquement insurmontables, les difficultés sont d'un autre ordre de grandeur sur les applications embarquées.
Déjà pour les véhicules de surface, la propulsion électrique se heurte aux limites actuelles des capacités de stockage en énergie électrique sur un véhicule ce qui, indépendamment du coût des batteries ou autres moyens de stockage, en limite drastiquement l'autonomie ou le rayon d'action. La solution proposée aujourd'hui pour augmenter l'autonomie des véhicules terrestres électriques est de doubler, sur ces véhicules, la chaîne de propulsion électrique par une chaîne de propulsion conventionnelle à moteur thermique utilisant des carburants fossiles. Cette solution d'hybridation n'est évidemment pas satisfaisante puisque dans la recherche d'une amélioration par la propulsion électrique on arrive à une architecture de propulsion beaucoup plus complexe, plus lourde et plus chère, et qui finalement consomme des carburants fossiles dès que l'autonomie électrique est dépassée, voire pour recharger les accumulateurs électriques.
Ce type de véhicule, connu en particulier dans le domaine de l'automobile, est considéré comme hybride dans le sens où il est propulsé par deux modes d'énergies, électrique et thermique, utilisés alternativement.
Pour les applications aériennes la solution de la propulsion électrique est également envisagée, mais les contraintes s'avèrent encore plus sévères que pour les véhicules de surface.
En particulier la masse du système de propulsion, sa sécurité de fonctionnement et sa fiabilité sont des critères de dimensionnement essentiels à prendre en compte.
Pour illustrer les difficultés auxquelles sont exposés les concepteurs d'aéronef à propulsion électrique, il peut être pris le cas d'un avion de transport de passagers moderne de dimensions moyennes, par exemple un moyen courrier biréacteur de masse au décollage 80000Kg et transportant entre 150 et 200 passagers à un nombre de mach de 0,78 en croisière, par exemple un Airbus A320 ®.
Pour assurer la propulsion d'un tel avion il convient de disposer d'une puissance de 30 MW, ce qui se traduit par exemple par des courants électriques de 3 kA sous une tension de 10 kV. La génération et le transport de tels courants électriques dans la structure d'un avion transportant des passagers n'est évidemment pas sans poser de problèmes de complexité technique, de masse et de sécurité qui ne sont pas résolus par l'utilisation de supraconducteurs devant être maintenus dans des conditions de températures strictes.
Il doit également être assuré le stockage à bord de l'avion de l'énergie qui peut être réalisé avec des batteries d'accumulateurs, ou qui peut être réalisé sous forme d'hydrogène pour alimenter des piles à combustibles. Cependant les technologies actuelles ne permettent pas avec une masse et une fiabilité acceptables de stocker l'énergie nécessaire avec les contraintes de sécurité imposées pour un vol commercial. Dans le domaine de l'aéronautique, il a également été proposé dans le document GB 252661 1 de réaliser un propulseur thermodynamique pouvant fonctionner dans un mode statoréacteur à grandes vitesses et dans un mode turboréacteur à « basses » vitesses. Dans la solution proposée, les étages de compresseur du diffuseur d'entrée d'air utilisés dans le mode turboréacteur basses vitesses sont actionnés en rotation par des moteurs électriques, alimentés par des batteries ou des piles à combustibles, qui remplacent les étages de turbines des turboréacteurs conventionnels.
Dans un tel moteur, le fonctionnement est hybride en ce qu'il comporte deux modes de fonctionnement indépendants, le mode « stato » et le mode « turbo », le mode turbo étant un moteur thermodynamique sans turbine qui dans ce cas nécessite en plus une source électrique pour fonctionner.
Il est également connu du document US 2004/065086 un générateur qui utilise une machine thermodynamique à turbine conventionnelle comportant un compresseur, une chambre de combustion, dans laquelle un combustible est brûlé avec de l'air, et une turbine d'un ensemble tournant.
Dans ce générateur, l'arbre de l'ensemble tournant est couplé avec une turbine fonctionnant avec un fluide de travail en circuit fermé récupérant de la chaleur sur le fonctionnement de la turbine en circuit ouvert. Sur l'arbre tournant commun à ces deux systèmes imbriqués est également monté un moteur / alternateur électrique, utilisé pour mettre en rotation la partie tournante pour démarrer la turbine, utilisé comme générateur électrique lorsque la turbine est démarrée, et une prise de force mécanique couplée à l'arbre tournant.
Le générateur est ici considéré comme hybride dans le sens où il produit de l'énergie mécanique et de l'énergie électrique, mais sans complémentarité particulière dans le fonctionnement du générateur.
Ainsi, en particulier pour les applications embarquées, au moins tant que les technologies nécessaires pour assurer une propulsion totalement électrique ne seront pas disponibles, il existe aujourd'hui un besoin de développer des solutions de génération hybrides dans lesquelles les sources de puissance utilisées pour la propulsion combinent leurs apports en exploitant au mieux les capacités de chacune à produire une énergie utilisable pour la propulsion en combinant les bénéfices de chaque sources en termes en particulier de rendements propulsifs et des exigences opérationnelles attendue d'un système de propulsion, en particulier pour une véhicule, et qui se démarque des système hybrides existant afin de palier aux insuffisances des systèmes de propulsion électriques existant, et sans conduire à une accumulation des inconvénients des deux modes thermique et électrique mis en œuvre.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention apporte une solution aux problèmes de l'art antérieur au moyen d'un générateur hybride de puissance ou de poussée combinant un moteur à turbine conventionnelle alimenté par un carburant en phase liquide ou gazeuse et un générateur électrique de puissance apportant une énergie à un moteur électrique couplée mécaniquement au moteur à turbine.
Suivant l'invention un générateur hybride de puissance ou de poussée comporte au moins un moteur thermodynamique à turbine et au moins un générateur électrique de puissance.
Le ou les générateurs électriques de puissance sont connectés électriquement au ou aux moteurs électriques, et chaque moteur électrique est couplé mécaniquement en rotation à au moins une partie tournante d'un moteur thermodynamique à turbine et le ou les générateurs électriques de puissance sont en fonctionnement simultané avec ledit moteur thermodynamique à turbine pour alimenter le ou les moteurs électriques afin de diminuer la puissance prélevée sur au moins une turbine dudit moteur thermodynamique à turbine en fonctionnement.
Il est ainsi dans le générateur hybride apporté une énergie introduite sous forme mécanique qui s'ajoute directement à la puissance du moteur thermodynamique, cette puissance mécanique ayant une origine électrique qui peut être déportée et plus aisément modulable tant dans sa localisation que dans son mode de génération.
Dans une forme de réalisation, le ou les générateurs électriques de puissance, au moins l'un d'entre eux, comporte au moins un moteur thermoacoustique entraînant un alternateur électrique linéaire. Il est de la sorte généré une puissance électrique qui peut être produite par une source de chaleur résultant de la combustion d'un carburant, ou une autre source de chaleur, au moyen d'un moteur silencieux et fiable car ne comportant pas de parties mobiles autre que les pistons et noyaux associés à un moteur électrique linéaire pour générer une onde acoustique dans le moteur thermoacoustique et associés à un alternateur électrique linéaire pour générer l'énergie électrique à partir de l'onde acoustique amplifiée dans le moteur thermoacoustique.
Dans une forme de réalisation, au moins une source froide d'un moteur thermoacoustique met en œuvre un carburant également utilisé par les moteurs thermodynamiques à turbine, et ou utilisé par les moteurs thermoacoustiques.
Dans une forme particulière de réalisation, le carburant est un carburant cryogénique stocké à l'état liquide à température inférieure à 120 K, par exemple du méthane liquide cryogénique.
Ainsi, il est obtenu une source froide de caractéristique sensiblement constante et qui dans le cas d'un carburant cryogénique permet d'augmenter le rendement du moteur thermoacoustique en abaissant la température de la source froide à une température sensiblement inférieure à la température ambiante. En plus le carburant initialement à l'état liquide peut être amené à l'état gazeux, ou à une température proche de sa gazéification, par la chaleur qui lui est apportée dans le ou les échangeurs froids du ou des moteurs thermoacoustiques ce qui simplifie son injection dans des brûleurs et favorise une combustion complète.
Dans une forme de réalisation, au moins une source chaude d'au moins un moteur thermoacoustique utilise, pour au moins une partie de la quantité de chaleur apportée à un ou des échangeurs thermiques chauds dudit moteur thermoacoustique, la combustion d'un carburant également utilisé pour alimenter le ou les moteurs thermodynamiques à turbine. De la sorte il n'est nécessaire de disposer que d'un seul type de carburant pour alimenter le générateur hybride.
Dans une forme de réalisation, au moins une source chaude d'au moins un moteur thermoacoustique utilise, pour au moins une partie de la quantité de chaleur apportée à un ou des échangeurs thermiques chauds du moteur thermoacoustique considéré, une quantité de chaleur prélevée sur un ou des moteurs thermodynamiques à turbine au niveau d'une chambre de combustion (23) et ou d'étages de turbine (222, 212) des moteurs considérés. Ainsi il est tiré avantage d'une quantité de chaleur produite par le ou les moteurs thermodynamiques à turbine pour produire de l'énergie électrique sans qu'il soit nécessaire d'installer sur les moteurs thermodynamiques à turbine des générateurs électriques spécifiques.
Dans une forme de réalisation, le générateur électrique de puissance est dimensionné pour délivrer une puissance électrique égale ou supérieure à 10 % d'une puissance thermodynamique d'un régime de fonctionnement continu en service d'au moins un moteur thermodynamique à turbine du générateur hybride.
Avantageusement, le générateur électrique de puissance est également dimensionné pour délivrer une puissance électrique inférieure ou égale à une puissance thermodynamique d'un régime de fonctionnement continu en service d'au moins un moteur thermodynamique à turbine du générateur hybride.
Ainsi, au moins dans les domaines d'utilisation continue du générateur hybride, principalement un régime de croisière d'un véhicule utilisant le générateur hybride comme moyen de propulsion, la part de la puissance électrique apportée est significative sans se substituer à la part de la puissance apportée par le moteur thermodynamique à turbine qui reste prépondérante et évite une taille trop importante du générateur thermoacoustique. En particulier, lorsque la propulsion d'un véhicule, un avion par exemple, est réalisée par des moteurs thermodynamiques à turbine utilisés comme turboréacteurs ou comme turbomoteurs, ces derniers auront avantageusement les dimensions minimales pour générer le flux nécessaire à la propulsion qu'une augmentation de l'apport électrique par la source électrique de puissance ne permettra pas de réduire efficacement notamment en considération du rendement propulsif.
Dans une forme de réalisation du générateur hybride, le moteur thermodynamique à turbine, le cas échéant plusieurs moteurs thermodynamiques à turbine mis en œuvre dans le générateur hybride, sont agencés en turboréacteur ou en groupes turbopropulseurs. Dans cette forme il est possible de mettre en œuvre le générateur hybride sur des avions à réaction, ou à hélices entraînées par des turbomoteurs, sans qu'il soit nécessaire de remettre en cause les architectures des avions à réaction connus, les générateurs électriques de puissance étant avantageusement agencés dans la structure de l'avion sans impact majeur sur les performances aérodynamiques.
L'invention concerne également un véhicule comportant au moins un générateur hybride tel que décrit ci-dessus et mis en œuvre comme dispositif de propulsion principal. Le véhicule tire ainsi avantage des bénéfices exposés du générateur hybride de l'invention.
Dans une forme de réalisation, au moins un générateur électrique de puissance de l'au moins un générateur hybride est mis en œuvre comme une source d'énergie électrique principale de servitudes dudit véhicule. Il est ainsi possible de supprimer lors de la conception du véhicule les groupes auxiliaires de puissance ainsi que les générations électriques couplées mécaniquement aux moteurs thermodynamiques à turbine, solution sans inconvénient du fait que le fonctionnement autonome de la source électrique de puissance est possible sans mettre en œuvre le moteur thermodynamique à turbine. Dans une forme de réalisation, le véhicule comporte au moins deux générateurs hybrides, et au moins un générateur électrique de puissance de chacun desdits générateurs hybrides peut être, par des reconfigurations d'un système de distribution de l'énergie électrique produite par lesdits générateurs électriques de puissance, commuté en utilisation vers l'un ou un autre des moteurs thermodynamiques à turbines de chacun desdits générateurs hybrides, la commutation affectant tout ou partie de la puissance électrique.
Il peut de la sorte être pallié à des configurations de pannes en partageant l'énergie électrique d'un générateur électrique de puissance entre deux ou plusieurs moteurs thermodynamiques à turbine, par exemple en cas de défaillance d'un générateur électrique de puissance, ou en apportant l'énergie électrique de deux générateurs électriques de puissance à un ou plusieurs moteurs thermodynamiques à turbine, par exemple en cas de défaillance d'un moteur thermodynamique, et d'une manière générale de partager l'énergie électrique produite par l'ensemble des générateurs électriques fonctionnels entre l'ensemble des moteurs thermodynamiques à turbine fonctionnels.
L'invention s'applique en particulier au cas d'un aéronef, par exemple un hélicoptère ou un avion.
Dans une forme de réalisation, le générateur de puissance électrique de chacun des générateurs hybrides comporte un moteur thermoacoustique installé dans un fuselage (16) de l'aéronef, ou dans les ailes, ou dans des volumes carénés de la structure de l'aéronef.
La forme allongée du fuselage se prête bien dans ce cas à la forme allongée du moteur thermoacoustique et dont le fonctionnement continu dans une relative proximité des passagers est compatible avec son fonctionnement intrinsèquement silencieux.
La forme allongée en envergure des ailes s'avère également utilisable sous réserve de disposer d'un volume sans carburant suffisant et l'utilisation de volumes carénés, de géométrie adaptée pour limiter les impacts sur le traînée aérodynamique, permet de disposer d'espaces dédiés pour les moteurs thermoacoustiques, sans pénaliser les autres volumes de la structure utilisés en particulier pour les passagers, le fret ou le carburant, et facilitant la ségrégation entre les différents composants du générateur hybride et des autres composants des systèmes de l'aéronef. PRESENTATION DES FIGURES
La description et les dessins d'un exemple de réalisation et de mise en œuvre de l'invention, permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l'invention. Il est clair que cette description est donnée à titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif.
Dans les dessins :
- la figure 1 illustre un avion biréacteur du type moyen courrier comportant deux générateurs hybrides montés en turboréacteurs, le détail (a) de la figure illustrant un schéma de générateur hybride ;
- la figure 2 représente schématiquement un exemple de générateur électrique thermoacoustique adapté à la source électrique de puissance.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION Sur les dessins des parties représentant des éléments ayant la même fonction, même de formes différentes, sont identifiées par la même référence.
Les éléments représentés sur les différentes figures et les différents éléments d'une même figure sont des représentations schématiques et ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle.
En particulier des éléments de détails considérés comme utiles ou importants dans le cadre de l'invention sont au besoin fortement agrandis par rapport aux autres éléments dessinés pour la clarté des illustrations.
La figure 1 présente schématiquement une forme de réalisation d'un générateur hybride 100, détail (a) de la figure 1 , suivant l'invention et dont un exemple est décrit de manière détaillée en référence, non limitative, à une application à la propulsion d'un avion 15 par turboréacteurs.
Dans l'exemple de la figure 1 , il est pris le cas de l'application à turboréacteur comme moteur thermodynamique à turbine 20.
Le moteur thermodynamique à turbine 20 schématisé sur la figure 1 est celui d'un réacteur à double corps et double flux. Ces caractéristiques qui sont avantageuses dans le contexte de la recherche d'un rendement propulsif global d'un avion civil subsonique ne sont cependant pas indispensables à la mise en œuvre d'une architecture de générateur hybride suivant l'invention, comme il sera compris de la suite de la description.
Le moteur thermodynamique à turbine 20 schématisé comporte de manière conventionnelle :
- un corps tournant haute pression 22 comportant lui-même un compresseur haute pression 221 entraîné en rotation par une turbine haute pression 222 ;
- un corps tournant basse pression 21 comportant lui-même un compresseur basse pression 21 1 entraîné en rotation par une turbine basse pression 212 ;
- une chambre de combustion 23 située entre une zone de compresseurs et une zone de turbines pour apporter, par la combustion d'un carburant avec l'oxygène de l'air, l'énergie nécessaire aux turbines pour entraîner les compresseurs et pour produire une puissance ou, comme ici, une poussée utilisable ;
- un compresseur de grand diamètre 24, ou fan, entraîné en rotation par le corps tournant basse pression, le cas échéant par l'intermédiaire d'un réducteur mécanique 25.
Il doit être noté que le rendement thermodynamique d'une telle machine dépend du rendement de la compression réalisée par les étages de compresseur 21 1 , 221 pour laquelle une température T1 du gaz en entrée de compresseur doit être la plus basse possible et dépend du rendement de la détente réalisée par les étages de turbine 222, 212 qui au contraire requièrent une température T4 du gaz, réchauffé dans la chambre de combustion 23, en entrée de turbine, aussi élevée que possible, pour améliorer le rendement thermodynamique du réacteur. Le générateur hybride de la figure 1 comporte également un moteur électrique 30 agencé couplé en rotation à au moins un des corps tournant, et ou à l'étage du compresseur de grand diamètre 24, par exemple par l'intermédiaire du réducteur 25.
Suivant cet agencement, il est apporté de l'énergie sous forme mécanique à au moins un des ensembles tournant ce qui conduit, par une réduction de la puissance prélevée sur la ou les turbines concernées pour apporter l'énergie nécessaire aux compresseurs, à disposer d'une énergie utilisable du générateur hybride 100, sous forme de poussée, augmentée par rapport au fonctionnement du seul moteur thermodynamique à turbine. Afin de fournir l'énergie électrique nécessaire au moteur électrique 30, le générateur hybride 100 comporte au moins une source de puissance électrique 40.
Il doit être remarqué que suivant cet agencement du générateur hybride 100 en comparaison des solutions totalement électriques ou des solutions hybrides existantes, le fonctionnement du moteur thermodynamique à turbine 20 et celui du moteur électrique 30 sont simultanés, et non pas alternatifs, et sont complémentaires ce qui a pour effet de diminuer la puissance nécessaire de chacune des deux sources de génération de puissance que sont ledit moteur thermodynamique et le générateur électrique de puissance 40.
Cette simultanéité de fonctionnement permet ainsi de réduire la masse et les dimensions de chacun du moteur thermodynamique et du moteur électrique, et ceci sans nécessairement abandonner la possibilité d'un fonctionnement alternatif de chacun du moteur thermodynamique et du moteur électrique comme seul moyen de production de puissance ou de poussée, que ce fonctionnement alternatif soit mis en œuvre dans une configuration normale ou dans une configuration dégradée en cas de panne sur un des moteurs thermodynamiques ou moteurs électriques.
La ou les sources de puissance électrique 40 peuvent être de toute nature, en particulier des sources dans lesquelles l'énergie électrique est stockée dans des batteries d'accumulateurs électriques ou dans des super-condensateurs ou consister en des générateurs électriques comme par exemple les groupes auxiliaires de puissances connus sur les avions.
Toutefois la mise en œuvre de telles sources de puissance électrique, possible dans l'invention, reste contraignante en raison des limitations actuelles pour les sources de stockage de l'énergie électrique, limitations déjà exposées précédemment, et d'un rendement énergétique défavorable des groupes auxiliaires de puissance conventionnels qui utilisent un carburant du même type que celui utilisé pour le moteur thermodynamique à turbine 20 et n'apporte pas d'avantage en termes de rendement énergétique.
Avantageusement le générateur hybride 100 de l'invention comporte au moins une source électrique de puissance 40 comportant un générateur thermoacoustique 50, dont un exemple est illustré schématiquement sur la figure 2. Les moteurs thermoacoustiques sont connus. Leur fonctionnement est basé sur le cycle thermodynamique d'un fluide en milieu fermé des moteurs Stirling, mais dans lequel le déplacement du fluide assurant les transports d'énergie calorifique est assuré par des ondes acoustiques au lieu de pistons mécaniques conventionnels. Le fonctionnement d'un tel moteur thermoacoustique est décrit par exemple dans la demande de brevet français publiée sous le numéro FR 2971552.
Dans le cas du générateur thermoacoustique 50 de l'invention, le cycle thermodynamique est réalisé dans une chambre 51 comportant à une première extrémité un piston d'excitation 54 générant une onde acoustique initiale et comportant à une seconde extrémité un piston moteur 55 déplacé par l'onde acoustique amplifiée, lequel piston moteur actionne un alternateur électrique linéaire 53.
Le générateur thermoacoustique 50 comporte au moins une cellule comportant, de manière connue dans les moteurs thermoacoustiques, un échangeur thermique froid 56a, 56b qui transfère de la chaleur Q- vers une source froide 60, un échangeur thermique chaud 57a, 57b qui prend de la chaleur Q+ depuis une source chaude 70 et un étage régénérateur situé entre les échangeurs thermiques froid et chaud.
Le générateur thermoacoustique 50 peut comporter plusieurs cellules agencées entre la première extrémité et la seconde extrémité de la chambre 51 , et peut mettre en œuvre une ou plusieurs sources froides et ou une ou plusieurs sources chaudes. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, la chambre 51 comporte deux cellules et le piston d'excitation 54 est actionné par un moteur électrique linéaire 52 alimenté en puissance par une boucle de rétroaction électrique 58 formée entre l'alternateur électrique linéaire 53 et ledit moteur électrique linéaire, la puissance électrique produite par le dit alternateur électrique linéaire étant partagé entre une puissance utile WU délivrée et une puissance retour WR vers ladite boucle de rétroaction électrique.
La mise en œuvre du générateur thermoacoustique 50 comme source d'apport d'énergie électrique dans le générateur hybride 100 présente plusieurs avantages.
Un générateur thermoacoustique 50 permet de produire une puissance électrique avec un meilleur rendement qu'une turbomachine du fait qu'en absence de pièces mobiles dans les parties chaudes, les températures mises en œuvre dans l'échangeur thermique chaud 57a, 57b peuvent atteindre des valeurs beaucoup plus élevées que dans le cas d'une turbine et ainsi atteindre des rendements thermodynamiques supérieurs à 70% pour un rendement global supérieurs à 50% (en prenant en compte le rendement des alternateurs) lorsque les rendements obtenus par des turbines de réacteurs atteigne difficilement 40%.
En outre le fonctionnement du générateur thermoacoustique 50 est silencieux.
Le générateur thermoacoustique 50 est insensible à la valeur de la pression atmosphérique et il délivre donc une puissance indépendante de l'altitude.
La fiabilité d'un générateur thermoacoustique peut, en raison de l'absence de pièces en mouvement hors les mouvements linéaires des pistons du moteur et de l'alternateur électrique, dépasser 20 OOOh de MTBF, ce qui en fait un élément disruptif dans la chaîne de propulsion.
La source chaude 70 peut mettre en œuvre la combustion du même carburant que le réacteur 20, lequel carburant peut être utilisé comme source froide avant d'être brûlé par le générateur thermoacoustique et ou par le moteur thermodynamique à turbine.
Dans l'exemple exposé précédemment d'un avion moyen courrier de 80000kg de masse au décollage, il est avantageusement utilisé un générateur thermoacoustique 50 délivrant une puissance électrique 500 kW.
Une telle puissance peut apparaître faible devant la puissance développée par les réacteurs d'un tel avion délivrant chacun une poussée au décollage de l'ordre 1500 kN équivalent à environ 20000 kW, mais cette dernière puissance ne concerne que la valeur maximale de la poussée qui n'est mise en œuvre par les avions que pour des phases de décollage ou de remise de gaz.
Lorsqu'un avion est en croisière, en raison de sa vitesse et son altitude, les poussées/puissances utilisées effectivement sont très inférieures à celle du décollage.
A seulement 10000 m d'altitude, la pression atmosphérique est divisée par environ un facteur quatre et la poussée du réacteur est réduite, conduisant dans l'exemple précité à un équivalent puissance de l'ordre de 3000 kW, la puissance du générateur thermoacoustique étant inchangée comme déjà précisé.
Dans ces conditions opératoires, la puissance pouvant être apportée au moteur thermodynamique à turbine 20 par le générateur thermoacoustique 50 n'est pas négligeable puisqu'elle en représente plus de 10%, 15% environ, sur laquelle proportion le générateur hybride 100 bénéficie du gain de rendement de l'ensemble générateur thermoacoustique 50 et moteur électrique 30. De manière avantageuse, le générateur thermoacoustique 50 sera conçu pour délivrer une puissance utile égale ou inférieure à 50 % de la puissance du générateur hybride 100 dans un régime de fonctionnement continu moyen du moteur thermodynamique à turbine 20.
II est de la sorte évité un surdimensionnement du générateur thermoacoustique 50 au profit d'une répartition possible de la puissance totale attendue dudit générateur hybride entre ledit générateur thermoacoustique et le moteur thermodynamique à turbine 20, la dite répartition étant par exemple gérée par un calculateur de gestion de la puissance ou de la poussée.
Le bénéfice du générateur hybride 100 est augmenté du fait que, dans un processus de dimensionnement dudit générateur hybride, la puissance affectée au moteur thermodynamique à turbine 20 est diminuée, par rapport à celle d'un réacteur comme générateur unique de puissance, de celle produite par la source électrique de puissance 40, ce qui conduit à diminuer la taille et la masse du réacteur et à augmenter en conséquence sa fiabilité par une moindre sollicitation.
Par ailleurs, le moteur thermoacoustique 50 peut être mis en œuvre comme source d'électricité embarquée indépendante. De ce fait elle est en mesure de se substituer aux groupes auxiliaires de puissance des avions et qui servent notamment à démarrer les moteurs au sol en fournissant de l'air comprimé, au moins pour les réacteurs de plus de 1000 kN de poussée au décollage, et à fournir de l'électricité à l'avion lorsque les moteurs sont à l'arrêt. La mise en œuvre du générateur hybride 100 permet donc d'éviter l'installation des groupes auxiliaires de puissance conventionnels. Cela augmente aussi et de manière importante la fiabilité globale de l'avion.
Lorsque le moteur thermoacoustique 50 est utilisé comme source indépendante d'énergie électrique, il présente la supériorité de ne pas être une source de nuisances sonores comme le sont les groupes auxiliaires de puissance à turbines.
En outre, du fait même de l'architecture du générateur hybride 100 et de la source électrique de puissance 40 qu'il met en œuvre, un avion peut être, de manière autonome, entraîné au roulage au sol par des moteurs de roues électriques ou par un entraînement électrique d'un corps tournant de réacteur 20, par exemple du compresseur de grand diamètre 24 (Fan), et les réacteurs peuvent être démarrés électriquement au moyen du moteur électrique 30 le plus tard possible, juste avant le décollage. Cette solution permet de limiter les pollutions sonores et par les hydrocarbures autour des plates-formes aéroportuaires.
En fonctionnement normal, i.e. hors cas de panne, le ou les moteurs thermoacoustiques 50 du ou des générateurs électriques de puissance 40 produisent de l'électricité indépendamment du fonctionnement des réacteurs.
Ainsi, en cas de panne des réacteurs, la production d'électricité n'est pas affectée, ce qui permet de continuer à alimenter les équipements de l'avion, condition particulièrement critique sur les avions modernes à commandes de vol totalement électriques, le cas échéant y compris les servocommandes si celles-ci sont à actionneurs électriques. Si la panne d'un réacteur est d'origine thermodynamique, il est encore possible d'entraîner les parties tournantes du réacteur 20, en particulier de la turbine de grand diamètre 24 (Fan), au moyen du moteur électrique 30 et ainsi de maintenir une poussée du réacteur qui, même réduite, permet d'améliorer la finesse de vol apparente de l'avion et d'augmenter sensiblement son rayon d'action en cas de difficultés.
II convient ici de remarquer que, contrairement aux avions d'architectures conventionnelles qui mettent en œuvre des groupes auxiliaires de puissance à turbine qui sont à l'arrêt en croisière et nécessitent d'être remis en route pour produire à nouveau une énergie électrique essentielle à l'avion, dans le cas du générateur hybride 100 il n'y a pas d'interruption de la production électrique ni de risque de non redémarrage du groupe auxiliaire puisque la production électrique par le moteur thermoacoustique 50 est permanente.
Sur cette dernière comparaison entre les solutions conventionnelles et le générateur hybride de l'invention, il doit également être noté que les turbines des générateurs auxiliaires ont le plus souvent une altitude maximale de redémarrage en vol et que si l'avion se trouve au dessus de cette altitude maximale l'avion doit engager une descente avec d'autres moyens de génération électrique, batteries et ou éoliennes, jusqu'à atteindre une altitude propice au rallumage de la turbine du groupe auxiliaire.
Le générateur hybride 100 permet donc également de supprimer les groupes auxiliaires de puissance conventionnelle ainsi que les générateurs électriques entraînés mécaniquement par les moteurs, et ce avec des gains de masse, de facilités d'installation et de fiabilité.
Les avantages opérationnels du générateur hybride 100 de l'invention, en particulier dans le cas de son utilisation comme moyen de propulsion d'un aéronef, sont donc manifestes.
Considérant l'aspect du rendement énergétique du générateur hybride 100 et de l'utilisation de moteurs thermoacoustiques 50 pour la production de la puissance électrique, les avantages de l'invention sont encore plus manifestes si l'on considère l'utilisation d'un carburant cryogénique, par exemple du méthane liquide à pression ambiante à la température de 1 1 1 k, solution considérée aujourd'hui comme une alternative possible au kérosène.
Dans ce cas le méthane cryogénique peut être utilisé pour former des sources froides 60 à basse température, de l'ordre de 150 K, pour améliorer le rendement thermodynamique des générateurs thermoacoustiques.
Le méthane réchauffé, dans les sources froides des générateurs thermoacoustiques et ou dans les étages de compresseurs, en particulier les compresseurs haute pression 221 des moteurs thermodynamiques à turbine 20 dont le rendement sera également amélioré par un abaissement de la température avant la combustion, sera avantageusement gazéifié de sorte à faciliter sa mise en œuvre dans les zones de combustion en particulier des sources chaudes 70.
Dans une forme de réalisation, la chaleur Q+ devant être apportée aux échangeurs thermiques chaud 57 est transportée depuis des sources chaudes 70 jusqu'aux dits échangeurs par le moyen de caloducs ou de circuits à fluide caloporteur, par exemple un métal à l'état liquide aux températures mises en œuvre.
Les sources chaudes comportent par exemple des brûleurs alimentés avec du kérosène, du méthane ou un autre carburant.
Dans une forme de réalisation une quantité de chaleur non utilisée dans le moteur thermodynamique à turbine 20, par exemple en sortie des turbines, est utilisée pour augmenter la température de la source chaude 70.
Un générateur hybride 100 peut le cas échéant être réalisé en combinant un ou plusieurs moteurs thermodynamiques à turbine à un ou plusieurs générateurs électriques de puissance 40, par exemple en raison de contraintes d'installation, de contraintes de puissances unitaires des éléments mis en œuvre ou de contraintes de sécurité.
Dans ce cas l'énergie électrique produite par le ou les générateurs électriques peut être distribuée de manière évolutive en fonction de conditions opérationnelles vers le ou les moteurs thermodynamiques à turbine. Dans une application opérationnelle mettant en œuvre un ensemble de générateurs hybrides 100 il est également possible de gérer des transferts de puissance électriques entre les différents générateurs hybrides, par exemple dans le cadre de reconfigurations en cas de panne.
Ainsi le générateur hybride 100, apporte une alternative aux solutions de générateurs de puissance ou de poussée hybride en introduisant à un moteur thermodynamique à turbine une hybridation électrique en fonctionnement simultanée dont l'énergie est produite localement par des dispositifs de génération électrique à haut rendement exploitant les ressources embarquées existantes et en apportant une assistance permanente aux générateurs de puissance ou de poussée conventionnels au bénéfice de la réduction des puissances maximales du moteur thermodynamique à turbine, voire une possible substitution temporaire au moins dans un mode dégradé.

Claims

REVENDICATIONS
Générateur hybride (100) de puissance ou de poussée comportant au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) et comportant au moins un générateur électrique de puissance (40) caractérisé en ce que chaque générateur électrique de puissance (40) est connecté électriquement à au moins un moteur électrique (30), ledit au moins un moteur électrique étant couplé mécaniquement en rotation à au moins une partie tournante (21 , 22, 24) d'un moteur thermodynamique à turbine et en ce que le ou les générateurs électriques de puissance sont en fonctionnement simultané avec ledit moteur thermodynamique à turbine pour alimenter l'au moins un moteur électrique afin de diminuer la puissance prélevée sur au moins une turbine dudit moteur thermodynamique à turbine en fonctionnement.
Générateur hybride suivant la revendication 1 dans lequel au moins un générateur électrique de puissance (40) comporte au moins un moteur thermoacoustique (50) entraînant un alternateur électrique linéaire (53).
Générateur hybride suivant la revendication 2 dans lequel au moins une source froide (60) d'au moins un moteur thermoacoustique (50) met en œuvre un carburant d'un moteur thermodynamique à turbine (20) et ou un carburant d'un moteur thermoacoustique (50).
Générateur hybride suivant la revendication 3 dans lequel le carburant est un carburant cryogénique stocké à l'état liquide à température inférieure à 120 K, par exemple du méthane liquide cryogénique.
Générateur hybride suivant l'une des revendications 2 à 4 dans lequel au moins une source chaude (70) d'au moins un moteur thermoacoustique (50) utilise, pour au moins une partie de la quantité de chaleur apportée à un ou des échangeurs thermiques chauds dudit moteur thermoacoustique, la combustion d'un carburant également utilisé pour alimenter un moteur thermodynamique à turbine (20). 6 - Générateur hybride suivant l'une des revendications 2 à 5 dans lequel au moins une source chaude (70) d'au moins un moteur thermoacoustique (50) utilise, pour au moins une partie de la quantité de chaleur apportée à un ou des échangeurs thermiques chauds (57a, 57b) dudit moteur thermoacoustique, une quantité de chaleur prélevée sur un moteur thermodynamique à turbine (20) au niveau d'une chambre de combustion (23) et ou d'étages de turbine (222, 212).
7 - Générateur hybride suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le générateur électrique de puissance (40) est dimensionné pour délivrer une puissance électrique égale ou supérieure à 10 % d'une puissance thermodynamique d'un régime de fonctionnement continu en service d'au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) du générateur hybride (100).
8 - Générateur hybride suivant la revendication 7 dans lequel le générateur électrique de puissance (40) est dimensionné pour délivrer une puissance électrique inférieure ou égale à une puissance thermodynamique d'un régime de fonctionnement continu en service d'au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) du générateur hybride (100). 9 - Générateur hybride suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le moteur thermodynamique à turbine (20) est un turboréacteur ou un groupe turbopropulseur.
10 - Véhicule comportant au moins un générateur hybride (100) conforme à l'une des revendications 1 à 9 mis en œuvre comme dispositif de propulsion principal.
1 1 - Véhicule suivant la revendication 10 dans lequel au moins un générateur électrique de puissance (40) de l'au moins un générateur hybride (100) est mis en œuvre comme une source d'énergie électrique principale de servitudes dudit véhicule.
12 - Véhicule suivant la revendication 10 ou la revendication 1 1 comportant au moins deux générateurs hybrides (100), et dans lequel au moins un générateur électrique de puissance (40) de chacun desdits générateurs hybrides peut être, par des reconfigurations d'un système de distribution de l'énergie électrique produite par lesdits générateurs électriques de puissance, commuté en utilisation vers l'un ou un autre des moteurs thermodynamiques à turbines de chacun desdits générateurs hybrides, la commutation affectant tout ou partie de la puissance électrique. - Véhicule suivant l'une des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que ledit véhicule est un aéronef. - Véhicule suivant la revendication 13 dans lequel le générateur de puissance électrique (40) de chacun des générateurs hybrides 100) comporte un moteur thermoacoustique (50) installé dans un fuselage (16), et ou dans des ailes, et ou dans des volumes carénés d'une structure dudit aéronef.
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