FR3036736A1 - Turbomachine d’aeronef - Google Patents

Abstract

Turbomachine (10) d'aéronef, comportant un moteur (12), au moins une première conduite (30) d'entrée d'un premier flux de gaz dans ledit moteur, et au moins une seconde conduite (34) de sortie d'un second flux de gaz dudit moteur, ledit second flux étant destiné à être plus chaud que ledit premier flux, la turbomachine comprenant en outre des moyens de génération d'énergie électrique, caractérisée en ce que lesdits moyens de génération comprennent un premier échangeur de chaleur (50) situé dans ou sur la seconde conduite et comportant un circuit de vaporisation, dont une entrée de fluide est reliée à un système comportant au moins une pompe (48) et un réservoir de fluide (46) et dont une sortie de fluide est reliée à une entrée de fluide d'une turbine (44) entraînant un rotor, lui-même relié à un générateur électrique, et un second échangeur de chaleur (42) situé dans ou sur la première conduite et comportant un circuit de condensation, dont une entrée de gaz est reliée à une sortie de gaz de la turbine et une sortie de liquide est reliée audit système.

Description

1 Turbomachine d'aéronef DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une turbomachine d'aéronef.

ETAT DE L'ART Une turbomachine d'aéronef comprend classiquement un moteur ou générateur de gaz comportant d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine, au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion, au moins une turbine. Le moteur est alimenté en air par une manche d'entrée d'air et une tuyère permet d'évacuer les gaz de combustion sortant de la turbine du moteur. Dans le cas d'une turbomachine à double corps, son moteur comprend un compresseur et une turbine basse pression (BP) dont les rotors sont reliés ensemble par un arbre BP et forment avec cet arbre un corps BP, et un compresseur et une turbine haute pression (HP) dont les rotors sont reliés ensemble par un arbre HP et forment avec cet arbre un corps HP. Dans le cas d'une turbomachine à soufflante, une hélice de soufflante est montée dans la manche d'entrée d'air (et est donc carénée) et est entraînée par l'arbre BP, soit de manière directe soit de manière indirecte via une boite d'engrenages formant réducteur. Dans le cas d'un turbopropulseur, une hélice externe non carénée est entraînée par l'arbre BP, par l'intermédiaire d'une boîte d'engrenages formant réducteur. En général, l'entrée de l'air dans un moteur de turbopropulseur se fait par l'avant et la sortie des gaz de combustion se fait par l'arrière. On connaît toutefois un turbopropulseur du type inversé, dans lequel l'entrée de l'air se fait par l'arrière et la sortie des gaz de combustion se fait par l'avant. ENP est l'acronyme de « Energies Non Propulsives » et englobe tous les postes de génération d'énergies sur un moteur de turbomachine, qui ne participent pas à la poussée. Trois sources d'énergies générées par un moteur peuvent être utilisées pour les ENP : mécanique, 3036736 2 pneumatique (air comprimé chaud), et thermique (chaleur résultant du fonctionnement du moteur). Deux sources d'energies sont traditionnellement utilisées en terme de recupération d'énergies non propulsives pour pouvoir alimenter des 5 fonctions auxilaires sur une turbomachine ou sur un avion : énergie mécanique par prélèvement via une chaîne mécanique, et énergie pneumatique par prélèvement d'air notamment des compresseurs. Le prélevement mécanique peut être utilisé pour l'entraînement d'un générateur électrique et la production d'énergie électrique à destination de 10 l'avion par exemple. Du fait de l'augmentation constante de l'utilisation de l'électricité dans les chaînes énergétiques avions, le besoin en énergie électrique est de plus en plus important et le prélèvement mécanique pourrait ne pas suffire pour produire suffisamment d'énergie électrique. La présente invention apporte une solution simple, efficace et 15 économique à ce besoin. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose à cet effet une turbomachine d'aéronef, comportant un moteur, au moins une première conduite d'entrée d'un premier flux de gaz dans ledit moteur, et au moins une seconde conduite 20 de sortie d'un second flux de gaz dudit moteur, ledit second flux étant destiné à être plus chaud que ledit premier flux, la turbomachine comprenant en outre des moyens de génération d'énergie électrique, caractérisée en ce que lesdits moyens de génération comprennent : - un premier échangeur de chaleur situé dans ou sur la seconde conduite et 25 comportant un circuit de vaporisation, dont une entrée de fluide, de préférence de liquide, est reliée à un système comportant au moins une pompe et un réservoir de fluide, de préférence de liquide, et dont une sortie de fluide, de préférence de gaz, est reliée à une entrée de fluide, de préférence de gaz, d'une turbine entraînant un rotor, lui-même relié à un 30 générateur électrique, 3036736 3 - un second échangeur de chaleur situé dans ou sur la première conduite et comportant un circuit de condensation, dont une entrée de fluide est reliée à une sortie de fluide de la turbine et une sortie de fluide est reliée audit système.

5 La présente invention propose ainsi de mettre en oeuvre un cycle de Rankine pour transformer en énergie électrique de l'énergie thermique produite par la turbomachine et non valorisée dans le type de cycle actuellement utilisé (cycle de Brayton), et ainsi augmenter le rendement énergétique de la turbomachine. Le cycle de Rankine est un cycle 10 endoréversible, c'est-à-dire que les seules irréversibilités proviennent des échanges, ici de chaleur, avec l'extérieur. Le cycle est composé des quatre transformations suivantes et met donc en jeu des changements de phase d'un fluide : - compression adiabatique et réversible (isentropique), au moyen de la 15 pompe du système, qui met en pression le fluide sous forme liquide, - vaporisation isobare et irréversible, au moyen du premier échangeur, qui permet de transformer le fluide en gaz par chauffage, - détente adiabatique et réversible (isentropique), au moyen de la turbine, - et liquéfaction isobare et irréversible, au moyen du second échangeur, qui 20 permet de transformer le gaz en liquide par refroidissement. Le fluide utilisé dans la présente invention peut être tout fluide apte à passer d'un état liquide à un état gazeux, et inversement, dans la gamme de température disponible dans une turbomachine. Il peut s'agir d'eau ou d'un autre fluide caloporteur, tel que R-245 fa (pentafluoropropane).

25 La turbomachine selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - ledit premier échangeur comprend une surface d'échange thermique destinée à être balayée par ledit second flux ou à être accolée à une paroi 30 balayée par ledit second flux, 3036736 4 - ledit second échangeur comprend une surface d'échange thermique destinée à être balayée par ledit premier flux ou à être accolée à une paroi balayée par ledit premier flux, - ladite première conduite est une manche d'entrée d'air, 5 - ladite seconde conduite est une tuyère d'échappement de gaz de combustion ; environ 30% de l'énergie thermique libérée à la combustion est dissipée sous forme de chaleur via l'échappement des gaz. Les gaz d'échappement ont donc une haute température et la tuyère d'échappement a également une température élevée, sans pour autant que 10 cette température contribue à la génération de poussée. Le premier échangeur permet de vaporiser un fluide caloporteur grâce à ces températures élevées. Le fluide vaporisé alimente la turbine afin de récupérer un travail mécanique pour l'entraînement du générateur électrique et la génération d'énergie électrique, par exemple à destination 15 d'un circuit de dégivrage d'une aile d'avion, - ladite tuyère est située à une extrémité amont de la turbomachine, - cette turbomachine étant un turbopropulseur ; l'invention est en effet particulièrement avantageuse pour un turbopropulseur du fait de la faible participation d'un flux primaire (destiné à alimenter le moteur), qui s'écoule 20 dans le moteur, à la poussée moteur ; en effet, les pertes de pression totale probablement induites par la réalisation de l'invention dans la tuyère d'échappement ne pénalisent que ce flux primaire, contributeur mineur à la poussée globale fournie par le moteur ; de la chaleur peut donc être récupérée dans le flux primaire (qui comporte les premier et second flux 25 précités) ; dans le cas d'un turbopropulseur du type inversé, la manche d'entrée d'air a une dimension longitudinale importante ce qui est bénéfique pour l'invention car cela permet d'améliorer le temps de séjour dans la manche d'entrée d'air et donc les conditions générant la condensation du fluide caloporteur, 30 - ledit premier échangeur a une forme allongée et a un axe d'allongement sensiblement parallèle à un axe longitudinal de la turbomachine ; cette 3036736 5 forme allongée permet d'optimiser la surface d'échange thermique avec le flux précité, qui est destiné à s'écouler dans la seconde conduite le long de l'axe longitudinal de la turbomachine, - ledit second échangeur a une forme allongée et a un axe d'allongement 5 sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de la turbomachine ; les échangeurs ont avantageusement une forme adaptée à l'architecture de la turbomachine de façon à optimiser les surfaces d'échanges et l'encombrement, et - ladite pompe est montée sur une boîte d'engrenages de la turbomachine, 10 et en particulier un réducteur d'entraînement d'une hélice de propulsion de la turbomachine ; et- le positionnement de la pompe permet de prélever la puissance directement et simplement sur le réducteur. La présente invention concerne encore un procédé de génération d'énergie électrique lors du fonctionnement d'une turbomachine, 15 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prélèvement d'énergie thermique sur la turbomachine, et une étape de transformation de ladite énergie thermique en énergie électrique en utilisant notamment un cycle de Rankine. DESCRIPTION DES FIGURES 20 L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un turbopropulseur 25 inversé, selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en perspective partielle du turbopropulseur de la figure 1, - les figures 3 et 4 sont des vues très schématiques de variantes de réalisation des moyens de génération d'énergie électrique selon l'invention.

30 DESCRIPTION DETAILLEE 3036736 6 On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2 qui représentent un turbopropulseur 10 d'aéronef, ici du type inversé. Le turbopropulseur 10 comporte de façon classique un moteur 12 d'axe longitudinal A et comportant un compresseur basse pression 14, un 5 compresseur haute pression 16, une chambre annulaire de combustion 18, et au moins une turbine, ici haute pression, 20. L'axe A correspond à l'axe de rotation des rotors du moteur 12 et en particulier des compresseurs 14, 16 et de la turbine 20. Le rotor du compresseur basse pression 14 forme un corps basse 10 pression ou BP, et est relié à un arbre basse pression ou BP centré sur l'axe A. Les rotors du compresseur haute pression 16 et de la turbine haute pression 20 forment un corps haute pression ou HP, et sont reliés l'un à l'autre par un arbre haute pression ou HP centré sur l'axe A. Le turbopropulseur 10 comporte par ailleurs, à l'avant du moteur 12, 15 une boîte d'engrenages 24 dont un arbre d'entrée est entraîné par l'arbre BP du moteur et dont un arbre de sortie entraîne une hélice externe 26 du turbopropulseur. La boîte d'engrenages 24 est connue sous le nom de PGB, qui est l'acronyme de Power Gear Box. Le compresseur basse pression 14 est alimenté en air par un carter 20 28 d'entrée d'air qui est lui-même relié à une manche 30 d'entrée d'air. La turbine 20 est reliée à un carter 32 d'échappement des gaz de combustion, qui est lui-même relié à une tuyère d'échappement 34. Le turbopropulseur 10 est inversé, le compresseur basse pression 20 étant situé à l'arrière du moteur et la turbine 20 étant située à l'avant du 25 moteur, c'est-à-dire du côté de la boîte 24 et de l'hélice 26. Ceci est avantageux notamment par le fait que l'arbre BP est relié directement à la boîte 24, sans traverser le corps HP La tuyère 34 est disposée sur un côté du moteur (par exemple à 3h ou 9h, par analogie avec le cadran d'une horloge). Elle comprend un orifice 30 d'entrée de gaz débouchant dans le carter 32 et un orifice 36 de sortie de gaz débouchant sur un côté du turbopropulseur, au voisinage de son 3036736 7 extrémité avant. La tuyère 34 a en section une forme parallélépipédique allongée dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe A, ici sensiblement verticale. La tuyère définit une conduite de passage d'un flux de gaz 40, appelé second flux de gaz ou flux chaud.

5 La manche d'entrée d'air 30 est disposée sous le moteur (à 6h). Elle a une forme allongée, son axe d'allongement étant sensiblement parallèle à l'axe A. Elle s'étend sur sensiblement toute la dimension longitudinale du moteur et comprend un orifice d'entrée d'air située à l'avant du turbopropulseur et un orifice de sortie d'air débouchant dans le carter 28 10 d'entrée d'air. La manche 30 a en section une forme parallélépipédique allongée dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe A, ici sensiblement horizontale. La manche définit une conduite de passage d'un flux de gaz 38, appelé premier flux de gaz ou flux froid. Le flux primaire qui alimente le moteur comprend le flux froid 38 qui 15 pénètre et s'écoule dans la manche 30, et le flux chaud 40 qui s'écoule dans la tuyère 34 et en sort (figure 2). L'invention propose de prélever de l'énergie thermique sur le turbopropulseur 10, et en particulier sur la manche 30 et la tuyère 34, et de la transformer en énergie électrique en utilisant notamment un cycle de 20 Rankine. Dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté dans les dessins, la manche 30 d'entrée d'air est équipée d'un second échangeur thermique 42, qui a ici une forme générale plane et allongée. Ce second échangeur 42 peut se présenter sous la forme d'une plaque rapportée sur 25 une paroi, ici inférieure, de la manche 30 d'entrée d'air. En variante, la plaque pourrait directement remplacer une paroi de la manche et être destinée à être balayée par le flux d'air froid 38. Le second échangeur 42 comprend un circuit de fluide, dont une entrée 42a de fluide, et en particulier de gaz, est reliée à une sortie de gaz 30 d'une turbine 44, et une sortie 42b de fluide, et en particulier de liquide, est reliée à un système comportant un réservoir de fluide 46 et une pompe 48.

3036736 8 La tuyère 34 est également équipée d'un premier échangeur thermique 50, qui a ici une forme générale plane et allongée. Ce premier échangeur 50 peut se présenter sous la forme d'une plaque rapportée sur une paroi, ici latérale ou arrière, de la tuyère 34. En variante, la plaque 5 pourrait directement remplacer une paroi de la tuyère et être destinée à être balayée par le flux d'air chaud 40. Le premier échangeur 50 comprend un circuit de fluide, dont une entrée 50a de fluide, et en particulier de liquide, est reliée à une sortie de liquide du système comportant le réservoir 46 et la pompe 48, et une sortie 10 50b de fluide, et en particulier de gaz, est reliée à une entrée de gaz de la turbine 44. Le réservoir 46 est ici monté sur un côté du turbopropulseur 10 (à 3h ou 9h), au voisinage des compresseurs 14, 16. La pompe 48 est montée sur la boîte 24 et comprend un rotor entraîné par les engrenages de cette 15 boîte 24. La turbine 44 est montée sur le dessus du turbopropulseur (à 12h) et s'étend parallèlement à l'axe A. Il s'agit d'une turbine à gaz dont le rotor est relié à un rotor d'un générateur électrique 52 pour la génération d'électricité (flèche 54). La turbine 44 et le générateur 52 sont situés dans une zone 20 relativement froide du turbopropulseur, et ne sont donc pas trop contraints thermiquement en fonctionnement. Le schéma de la figure 3 représente les moyens de génération d'énergie électrique utilisant notamment le cycle de Rankine. Le réservoir 46 comprend un fluide caloporteur, sous forme liquide. La pompe 48 25 permet d'alimenter le circuit du premier échangeur 50, monté sur la tuyère 34. Ce premier échangeur 50 a une fonction de vaporisation du fluide sous pression et assure donc son passage de la phase liquide à la phase gazeuse. Ceci est rendu possible par chauffage du liquide, l'énergie calorifique étant apportée par le flux de gaz chaud 40 s'écoulant dans la 30 tuyère 34 et/ou par la tuyère elle-même chauffée par ces gaz. Le fluide vaporisé pénètre dans la turbine à gaz 44 et y est détendu pour entraîner le 3036736 9 rotor du générateur électrique et produire de l'électricité (flèche 54). A la sortie de la turbine 44, le gaz passe dans le circuit du second échangeur 42 monté sur la manche 30. Ce second échangeur 42 a une fonction de condensation des gaz et assure donc son passage de la phase gazeuse à 5 la phase liquide. Ceci est rendu possible par refroidissement des gaz, l'énergie calorifique étant évacuée par le flux d'air froid 38 s'écoulant dans la manche 30 et/ou par la manche elle-même refroidie par ce flux. Le fluide à l'état liquide est alors réinjecté dans le réservoir 46. La figure 4 montre une variante de réalisation des moyens de 10 génération électrique dans laquelle un troisième échangeur 60 est utilisé. Le réservoir 46 comprend un fluide caloporteur, sous forme liquide. La pompe 48 permet d'alimenter un premier circuit de l'échangeur 60. Cet échangeur a une fonction de pré-refroidissement, le fluide sous pression provenant de la pompe 48 étant relativement froid et permettant de refroidir 15 les gaz sortant de la turbine, qui circulent dans un second circuit de l'échangeur 60. La sortie de fluide du premier circuit de l'échangeur 60 est reliée à l'entrée de fluide du circuit du premier échangeur 50 de vaporisation du fluide. Ceci est rendu possible par chauffage du liquide, l'énergie calorifique étant apportée par le flux de gaz chaud 40 s'écoulant 20 dans la tuyère 34 et/ou par la tuyère elle-même chauffée par ces gaz. Le fluide vaporisé pénètre dans la turbine à gaz 44 et y est détendu pour entraîner le rotor du générateur électrique et produire de l'électricité (flèche 54). A la sortie de la turbine 44, le gaz passe dans le second circuit de l'échangeur 60 de condensation des gaz. Ceci est rendu possible par 25 refroidissement des gaz, l'énergie calorifique étant évacuée par le flux d'air froid 38 s'écoulant dans la manche 30 et/ou par la manche elle-même refroidie par ce flux. Le fluide à l'état liquide est alors réinjecté dans le réservoir 46. Le principe de l'ajout du troisième échangeur 60, qui fonctionne 30 comme pré-refroidisseur, est de permettre un transfert thermique du fluide caloporteur sous forme de vapeur en sortie de la turbine 44 vers le fluide 3036736 10 caloporteur sous forme liquide en amont du premier échangeur 50. Ce transfert a deux buts : de refroidir la vapeur en sortie de la turbine 44 de manière à réduire le besoin de refroidissement ultérieur dans le second échangeur 42 (en effet, cette étape contribue à réchauffer l'air dans la 5 manche d'entrée du générateur de gaz, ce qui pourrait induire une petite pénalité en termes de performance sur ce dernier, l'air qu'il reçoit étant plus chaud que l'air ambiant), et à même puissance récupérée sur la turbine 44, de réduire le besoin de prélever de la puissance dans le premier échangeur 50 par échange avec le flux primaire (gaz de combustion).

10 L'invention permet d'introduire la notion de récupération d'énergie thermique, qui n'a jamais été vue sur un moteur aéronautique de série. Elle permet d'amener un apport énergétique supplémentaire et non utilisé auparavant (qui serait de toute façon perdu), ce qui améliore le bilan énergétique du moteur. 15

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Turbomachine (10) d'aéronef, comportant un moteur (12), au moins une première conduite (30) d'entrée d'un premier flux de gaz (38) dans ledit moteur, et au moins une seconde conduite (34) de sortie d'un second flux de gaz (40) dudit moteur, ledit second flux étant destiné à être plus chaud que ledit premier flux, la turbomachine comprenant en outre des moyens de génération d'énergie électrique, caractérisée en ce que lesdits moyens de génération comprennent : - un premier échangeur de chaleur (50) situé dans ou sur la seconde conduite et comportant un circuit de vaporisation, dont une entrée de fluide (50a) est reliée à un système comportant au moins une pompe (48) et un réservoir de fluide (46) et dont une sortie de fluide (50b) est reliée à une entrée de fluide d'une turbine (44) entraînant un rotor, lui-même relié à un générateur électrique (52), - un second échangeur de chaleur (42) situé dans ou sur la première conduite et comportant un circuit de condensation, dont une entrée de fluide (42a) est reliée à une sortie de fluide de la turbine et une sortie de fluide (42b) est reliée audit système.
2. 2. Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans laquelle ledit premier échangeur (50) comprend une surface d'échange thermique destinée à être balayée par ledit second flux ou à être accolée à une paroi balayée par ledit second flux, et ledit second échangeur (42) comprend une surface d'échange thermique destinée à être balayée par ledit premier flux ou à être accolée à une paroi balayée par ledit premier flux.
3. 3. Turbomachine (10) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite première conduite est une manche (30) d'entrée d'air.
4. 4. Turbomachine (10) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite seconde conduite est une tuyère (34) d'échappement de gaz de combustion. 3036736 12
5. 5. Turbomachine (10) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite tuyère (34) est située à une extrémité avant de la turbomachine.
6. 6. Turbomachine (10) selon l'une des revendications précédentes, cette turbomachine étant un turbopropulseur. 5
7. 7. Turbomachine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit premier échangeur (50) a une forme allongée et a un axe d'allongement sensiblement parallèle à un axe longitudinal (A) de la turbomachine.
8. 8. Turbomachine (10) selon l'une des revendications précédentes, 10 dans laquelle ledit second échangeur (42) a une forme allongée et a un axe d'allongement sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal (A) de la turbomachine.
9. 9. Turbomachine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite pompe (48) est montée sur une boîte d'engrenages 15 (24) de la turbomachine, et en particulier un réducteur d'entraînement d'une hélice de propulsion (26) de la turbomachine.
10. 10. Procédé de génération d'énergie électrique lors du fonctionnement d'une turbomachine (10), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prélèvement d'énergie thermique sur la turbomachine, et une étape de 20 transformation de ladite énergie thermique en énergie électrique en utilisant notamment un cycle de Rankine.