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FR3115316A1 - Turbogenerateur a couplage magnetique - Google Patents

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FR3115316A1
FR3115316A1 FR2010532A FR2010532A FR3115316A1 FR 3115316 A1 FR3115316 A1 FR 3115316A1 FR 2010532 A FR2010532 A FR 2010532A FR 2010532 A FR2010532 A FR 2010532A FR 3115316 A1 FR3115316 A1 FR 3115316A1
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FR
France
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magnetic coupling
coupling means
compressors
turbines
rotation
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Pending
Application number
FR2010532A
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English (en)
Inventor
Wissam Bou Nader
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stellantis Auto Sas Fr
Original Assignee
PSA Automobiles SA
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Publication date
Application filed by PSA Automobiles SA filed Critical PSA Automobiles SA
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Abstract

La présente invention concerne un ensemble comprenant deux compresseurs radiaux (C1, C2), -deux turbines radiales (T1, T2), caractérisé en ce qu’il comprend un seul générateur électrique (EG) et des moyens d’accouplements magnétiques d’entrainement en rotation entre le générateur électrique (EG) et les compresseurs (C1, C2) et entre le générateur électrique (EG) les turbines (T1, T2). Figure 1

Description

TURBOGENERATEUR A COUPLAGE MAGNETIQUE
L’invention se rapporte à un système thermodynamique mettant en œuvre plusieurs turbomachines. Ce système est notamment destiné aux véhicules hybrides.
Afin de réduire les émissions polluantes provenant des véhicules à moteur, il est connu de l’art antérieur d’incorporer une turbine à gaz dans les systèmes de propulsion des véhicules hybrides. Pour se mouvoir, les véhicules hybrides utilisent soit l’énergie provenant d’un moteur thermique, ce dernier étant alimenté par un carburant, tel que le gasoil, l’essence, l’éthanol, le méthanol ou le gaz naturel, soit l’énergie électrique. L’énergie électrique peut être directement produite par un système de production d’électricité intégré au véhicule ou provenir de la batterie intégrée au véhicule. Certains véhicules hybrides sont également rechargeables. Les turbogénérateurs, par exemple composés d’une turbine à gaz et d’une génératrice d’électricité, ont ainsi pour rôle de produire cette énergie électrique et permettent de diminuer les émissions de dioxyde de carbone et d’autres polluants atmosphériques tels que les oxydes d’azote. Le cycle de Brayton est un cycle thermodynamique mettant en œuvre une turbine à gaz. Il présente des performances remarquables en termes de réduction de rejets polluants. Certains cycles thermodynamiques de ces convertisseurs comprenant plusieurs étages de compression et de détente permettent d’atteindre des rendements ainsi que des densités de puissance très importants. Ces architectures sont encombrantes et dans le domaine l’automobile où l’on recherche la compacité, cette architecture doit être repensée.
Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un système thermodynamique de production d’électricité, notamment pour véhicule, plus léger et occupant moins d’espace que les systèmes conventionnels.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un ensemble comprenant deux compresseurs radiaux, deux turbines radiales, caractérisé en ce qu’il comprend un seul générateur électrique et des moyens d’accouplements magnétiques d’entrainement en rotation entre le générateur électrique et les compresseurs et entre le générateur électrique les turbines.
L’effet technique est d’obtenir un turbogénérateur compact avec seulement une seule machine électrique et moins complexe.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
Selon une réalisation, les moyens d’accouplements magnétiques d’entrainement en rotation sont composés de deux moyens d’accouplement magnétiques distincts et en ce qu’il comprend :
-un sous-ensemble comportant les deux turbines et le premier moyen d’accouplement magnétiques sur un même axe de rotation,
-un sous-ensemble comportant les deux compresseurs et le second moyen d’accouplement magnétique un même axe de rotation.
Selon une réalisation, les moyens d’accouplements magnétiques d’entrainement en rotation sont composés de deux moyens d’accouplement magnétiques distincts et en ce qu’il comprend deux sous-ensembles comportant chacun un compresseur, une turbine et un moyen d’accouplement magnétique sur un même axe de rotation.
Selon une réalisation, pour chaque sous-ensemble le moyen d’accouplement magnétique est disposé de sorte que le compresseur est entre le moyen d’accouplement magnétique et la turbine.
Selon une réalisation, pour chaque sous-ensemble le moyen d’accouplement magnétique est disposé entre le compresseur et la turbine.
Selon une réalisation, toutes les turbines et tous les compresseurs sont indépendants et ont chacun un axe de rotation distinct, un moyen d’accouplement magnétique distinct étant monté sur chaque axe de rotation, et entrainant une couronne qui est couplée au générateur électrique, la couronne étant intérieure ou extérieure aux moyens d’accouplements magnétiques.
L’invention a aussi pour objet une machine, caractérisée en ce qu’elle comprend un ensemble selon l’une des variantes précédemment décrites,
-un refroidisseur, un régénérateur, deux chambres de combustion,
-le refroidisseur étant relié entre une sortie d’air d’un premier des deux compresseurs et une entrée d’air du second des deux compresseurs, pour refroidir l’air issu du premier des deux compresseurs,
-le régénérateur étant un échangeur de chaleur air / gaz de combustion relié entre une sortie d’air du second des deux compresseurs et une entrée d’air d’une première des deux chambres de combustion,
-une première des deux chambres de combustion étant reliée entre une sortie d’air du régénérateur et une entrée d’une première des deux turbines,
-la deuxième des deux chambres de combustion étant reliée entre une sortie de la première des deux turbines et une entrée de la seconde des deux turbines,
-la sortie de la seconde des deux turbines étant reliée à une entrée des gaz de combustion du régénérateur.
Selon une réalisation, les compresseurs et le refroidisseur sont regroupés dans une première zone dite froide tandis que les turbines, les chambres de combustion et le récupérateur sont regroupés dans une seconde zone dite chaude.
L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile comprenant telle une machine.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :
: représente schématiquement un premier exemple de réalisation conforme à l’invention.
: représente schématiquement un autre exemple de réalisation conforme à l’invention.
: représente schématiquement un autre exemple de réalisation conforme à l’invention.
: représente schématiquement un autre exemple de réalisation conforme à l’invention.
: représente schématiquement un autre exemple de réalisation conforme à l’invention.
: représente schématiquement un autre exemple de réalisation conforme à l’invention.
: représente schématiquement un autre exemple de réalisation conforme à l’invention.
L’invention consiste à proposer un convertisseur d’énergie type turbogénérateur basé sur un cycle turbine à gaz avec une architecture avec deux turbocompresseurs séparés mais utilisant un couplage magnétique afin d’utiliser un seul générateur électrique. Le but est donc d’avoir deux turbomachines séparées, et de coupler les axes à une seule génératrice permettant de récupérer la puissance. Plusieurs configurations vont être détaillées.
La figure 1 représente un premier mode de réalisation d’une machine selon l’invention.
Selon ce mode de réalisation, la machine comprend deux compresseurs radiaux : un premier compresseur radial C1, un second compresseur radial C2. La machine comprend encore deux turbines radiales : une première turbine radiale T1 et une seconde turbine radiale T2. Un compresseur radial est un compresseur dont le fluide de travail, le plus souvent de l’air, entre selon l’axe de rotation du compresseur et en sort comprimé selon une direction radiale à l’axe de rotation. Une turbine radiale est une turbine dont le fluide de travail, le plus souvent des gaz de combustion, entre selon une direction radiale à l’axe de rotation et en sort détendu selon l’axe de rotation de la turbine.
Dans la suite de la description, le compresseur C1 est le compresseur de l’étage basse pression de la compression, tandis que le compresseur C2 est le compresseur de l’étage haute pression de la compression. La turbine T1 est la turbine de l’étage haute pression de la détente, tandis que turbine T2 est la turbine de l’étage basse pression de la détente.
Comme illustré sur la figure 1, la machine comprend encore un seul générateur électrique EG et des moyens d’accouplements magnétiques d’entrainement en rotation entre le générateur électrique, EG et les compresseurs C1, C2 et entre le générateur électrique, EG les turbines T1, T2.
Dans cette première architecture, présentée en figure 1, on regroupe les turbines T1, T2, sur un même axe, 1a, et les compresseurs C1, C2 sur un même axe, 1b. On ajoute un moyen d’accouplement magnétique, Mam1, Mam2 sur chaque axe, 1a, 1b, disposés chacun entre un compresseur et une turbine. Les turbines T1, T2, produisent une puissance, et les compresseurs C1, C2, consomment pour comprimer, ainsi on entraîne la machine électrique EG via le moyen d’accouplement magnétique, Mam1, sur l’axe turbine 1a et la machine électrique EG, entraine à son tour les compresseurs C1, C2, l’autre moyen d’accouplement magnétique, Mam2, sur l’axe compresseur 1b.
En ce qui concerne le couplage magnétique, plusieurs systèmes existent également. Les systèmes magnétiques, qu’ils soient à aimants permanents ou électromagnétiques, permettent, par couplage magnétique, d’assurer des fonctions habituellement mécaniques. ce couplage magnétique offre de nombreux avantages :
-La fonction générée (force d’attraction, guidage, freinage) n’induit pas de contact entre les différentes parties des systèmes. Cette particularité n’engendre pas d’usure des pièces.
-Le couplage magnétique est une technologie propre (pas de graisse, de limaille…).
-La souplesse du couplage magnétique peut être réglée et permet d’absorber les vibrations non-désirées.
-La maintenance des systèmes magnétiques est quasi nulle.
-L’étanchéité de ces équipements est totale car la transmission de la fonction peut se faire sans contact à travers une paroi étanche.
-Ces systèmes sont insensibles aux variations de pression, contrairement aux systèmes pneumatiques.
Comme illustré encore sur la figure 1, la machine comprend une entrée d’air à comprimer EA1 vers le premier compresseur C1. Le premier compresseur C1 comprend une sortie SA1 d’air comprimé reliée à une entrée d’un échangeur IC de chaleur désigné refroidisseur, car il a pour fonction de refroidir l’air comprimé en sortie du compresseur C1. La sortie du refroidisseur IC est reliée à une entrée d’air EA2 du second compresseur C2. Le second compresseur C2 comprend une sortie SA2 d’air comprimé reliée à une entrée d’un régénérateur R. Un régénérateur est un échangeur de chaleur entre de l’air et des gaz de combustion permettant de réchauffer l’air sortant du second compresseur C2 avec la chaleur restante dans les gaz en sortie de la turbine T2.
La sortie d’air du régénérateur R est reliée à une entrée d’une première chambre de combustion CC1. La sortie de la première chambre de combustion CC1 est reliée à une entrée des produits de combustion EC1 de la première turbine T1. La première turbine T1 comprend une sortie des produits de combustion SC1 reliée à l’entrée d’une seconde chambre de combustion CC2. La sortie de la seconde chambre de combustion CC2 est reliée à une entrée EC2 des produits de combustion de la seconde turbine T2. La seconde turbine T2 comprend une sortie SC2 reliée au régénérateur R pour préchauffer l’air en entrée de la première chambre de combustion CC1.
Ainsi, l’entrée d’air se fait par le compresseur C1, qui comprime l’air, donc augmente sa pression et sa température. L’air entre ensuite dans le refroidisseur IC qui rejette la chaleur vers l’ambiant s’il fait un échange thermique avec l’air ambiant. En sortie du refroidisseur IC, l’air est toujours à haute pression, mais il est refroidi. Cet air subit ensuite une seconde compression dans le second compresseur C2. En sortie du second compresseur C2, l’air est préchauffé dans le régénérateur R puis entre dans la première chambre de combustion CC1 où une combustion a lieu. En sortie de la première chambre de combustion CC1, les produits de combustion entrent dans la première turbine T1 et effectuent une première détente, puis repassent dans la seconde chambre de combustion CC2 où une seconde combustion a lieu, celle-ci étant appelée post-combustion. Les gaz en sortie de la seconde chambre de combustion passent dans la seconde turbine T2 qui détend les produits de combustion environ jusqu’à la pression atmosphérique. En sortie de la seconde turbine T2, les gaz sont toujours chauds, et passent dans le régénérateur R côté chaud pour préchauffer l’air en entrée de la première chambre de combustion CC1.
Le fonctionnement de cette machine décrite en figure 1 est basé sur un cycle thermodynamique dit IRRGT pour « Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine » en anglais, permettant d’obtenir des rendements ainsi que des densités de puissance importants.
Dans cette configuration, on regroupe physiquement les compresseurs C1, C2 et le refroidisseur, IC tandis que l’on regroupe physiquement les turbines T1, T2, les chambres de combustion CC1, CC2 et le récupérateur R. On sépare ainsi les éléments en deux zones, l’un froide et l’autre chaude.
La figure 2 présente un autre exemple de réalisation. Cet exemple de réalisation diffère du mode de réalisation de la figure 1 en ce qu’elle présente un premier sous-ensemble comportant un compresseur, C1, une turbine T2, un moyen d’accouplement magnétique Mam1 sur un même axe de rotation 1a et un second sous-ensemble comportant un compresseur, C2, une turbine T1, un moyen d’accouplement magnétique Mam2 sur un même axe de rotation 1b.
De plus, dans cet exemple de réalisation, pour chaque sous-ensemble, le moyen d’accouplement magnétique Mam1, Mam2 est disposé de sorte que le compresseur est entre le moyen d’accouplement magnétique et la turbine du sous ensemble.
Dans cette architecture présentée en figure 2, les turbocompresseurs sont montés sur les mêmes axe (compresseur + turbine associée) et la machine électrique est du côté compresseurs C1, C2, afin de diminuer les contraintes thermiques. Dans cette architecture le compresseur C1 est relié à la turbine T2 (Etage Basse pression ensemble) tandis que le compresseur C2 est relié à la turbine T1 (Etage haute pression ensemble).
La figure 3 présente un autre exemple de réalisation. Cet exemple de réalisation diffère du mode de réalisation de la figure 2 en ce que dans cette architecture le compresseur C1 est relié à la turbine T1 tandis que le compresseur C1 est relié à la turbine T2.
La figure 4 présente un autre exemple de réalisation. Cet exemple de réalisation diffère du mode de réalisation de la figure 2 en ce que dans cette architecture, les turbocompresseurs sont montés sur les mêmes axes (compresseur + turbine associée) et le moyen d’accouplement magnétique, Mam1, Mam1 se trouve entre le compresseur et la turbine. La machine électrique EG est ainsi entraînée par les moyen d’accouplement magnétique, Mam1, Mam2 des 2 axes 1a, 1b. Dans cette architecture le compresseur C1 est relié à la turbine T2 (Etage Basse pression ensemble) tandis que le compresseur C2 est relié à la turbine T1 (Etage haute pression ensemble).
La figure 5 présente un autre exemple de réalisation. Cet exemple de réalisation diffère du mode de réalisation de la figure 4 en ce que dans cette architecture le compresseur C1 est relié à la turbine T1 tandis que le compresseur C1 est relié à la turbine T2.
La figure 6 présente un autre exemple de réalisation. Dans cet exemple de réalisation, toutes les turbines T1, T2 et tous les compresseurs C1, C2 sont indépendants et ont chacun un axe de rotation distinct. Sur chaque axe de chaque machine, un moyen d’accouplement magnétique est monté, Mam_C1 sur le compresseur C1, Mam_C2 sur le compresseur C2, Mam_T1 sur la turbine T1 et Mam_T2 sur la turbine T2. Ces moyens d’accouplement magnétiques entrainent une couronne C qui est couplée à la machine électrique, EG. Cette couronne pourra être à l’intérieur ou à l’extérieur des moyen d’accouplement magnétiques Mam_C1, Mam_C2, Mam_T1 et Mam_T2, comme illustré sur la figure 7.
Les modes de réalisation présentent une machine dont l’architecture compacte autorise un embarquement dans un véhicule, tel qu’un véhicule automobile.
Notre invention permet de réduire la complexité d’un système turbogénérateur (ou turbine à gaz) et de proposer une architecture plus compacte et moins coûteuse avec seulement une seule machine électrique. En effet, il suffit de mettre un couplage magnétique sur les axes des turbocompresseurs et d’entraîner la génératrice électrique.
Cela permet donc de réduire la complexité du système, de minimiser le volume total et d’avoir plus de flexibilité sur les points de fonctionnement des machines. Ainsi les rapports de réductions peuvent être adaptés en fonction des turbomachines.
Le système magnétique permet de s’affranchir des engrenages et des autres systèmes qui ont comme inconvénients le bruit, la nécessité d’avoir un système de lubrification et le frottement.
Tous ces avantages sont bénéfiques pour une optimiser un turbogénérateur conçu pour être intégré dans une chaîne de traction automobile.

Claims (9)

  1. Ensemble comprenant :
    -deux compresseurs radiaux (C1, C2),
    -deux turbines radiales (T1, T2),
    caractérisé en ce qu’il comprend un seul générateur électrique (EG) et des moyens d’accouplements magnétiques d’entrainement en rotation entre le générateur électrique (EG) et les compresseurs (C1, C2) et entre le générateur électrique (EG) les turbines (T1, T2).
  2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d’accouplements magnétiques d’entrainement en rotation sont composés de deux moyens d’accouplement magnétiques distincts (Mam1 ; Mam2), et en ce qu’il comprend :
    -un sous-ensemble comportant les deux turbines (T1, T2) et le premier moyen d’accouplement magnétiques (Mam1) sur un même axe de rotation,
    -un sous-ensemble comportant les deux compresseurs (C1, C2) et le second moyen d’accouplement magnétique (Mam2) un même axe de rotation.
  3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d’accouplements magnétiques d’entrainement en rotation sont composés de deux moyens d’accouplement magnétiques distincts (Mam1; Mam2) et en ce qu’il comprend deux sous-ensembles comportant chacun un compresseur, une turbine et un moyen d’accouplement magnétique sur un même axe de rotation.
  4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour chaque sous-ensemble le moyen d’accouplement magnétique (Mam1; Mam2) est disposé de sorte que le compresseur est entre le moyen d’accouplement magnétique et la turbine.
  5. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour chaque sous-ensemble le moyen d’accouplement magnétique (Mam1; Mam2) est disposé entre le compresseur et la turbine.
  6. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les turbines (T1, T2) et tous les compresseurs (C1, C2) sont indépendants et ont chacun un axe de rotation distinct, un moyen d’accouplement magnétique (Mam_C1, Mam_C2, Mam_T1, Mam_T2) distinct étant monté sur chaque axe de rotation, et entrainant une couronne (C) qui est couplée au générateur électrique (EG), la couronne (C) étant intérieure ou extérieure aux moyens d’accouplements magnétiques (Mam_C1, Mam_C2, Mam_T1, Mam_T2).
  7. Machine, caractérisée en ce qu’elle comprend :
    -un ensemble selon l’une des revendications 1 à 6,
    -un refroidisseur (IC), un régénérateur (R), deux chambres de combustion (CC1, CC2),
    -le refroidisseur (IC) étant relié entre une sortie d’air (SA1) d’un premier des deux compresseurs et une entrée (EA2) d’air du second des deux compresseurs, pour refroidir l’air issu du premier des deux compresseurs,
    -le régénérateur (R) étant un échangeur de chaleur air / gaz de combustion relié entre une sortie d’air (SA2) du second des deux compresseurs et une entrée d’air d’une première des deux chambres de combustion (CC1),
    -une première des deux chambres de combustion (CC1) étant reliée entre une sortie d’air du régénérateur (R) et une entrée (EC1) d’une première des deux turbines,
    -la deuxième des deux chambres de combustion (CC2) étant reliée entre une sortie (SC1) de la première des deux turbines (T1) et une entrée (EC2) de la seconde des deux turbines (T2),
    -la sortie (SC2) de la seconde des deux turbines (T2) étant reliée à une entrée des gaz de combustion du régénérateur (R).
  8. Machine selon la revendication 7 combinée à la revendication 2, caractérisée en ce les compresseurs (C1, C2) et le refroidisseur (IC) sont regroupés dans une première zone dite froide tandis que les turbines (T1, T2), les chambres de combustion (CC1, CC2) et le récupérateur (R) sont regroupés dans une seconde zone dite chaude.
  9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend une machine selon la revendication 7 ou la revendication 8.
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