CA2843802C - Architecture de propulsion d'aeronef integrant un systeme de recuperation d'energie - Google Patents
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Abstract
Dans un aéronef pourvu d'un rotor principal, d'un rotor arrière, d'au moins une turbine propulsive et un système d'alimentation électrique, un dispositif de récupération d'énergie thermique est installé sur la turbine pour générer de l'énergie électrique en utilisant une énergie thermique contenue dans des gaz d'échappement de la turbine comme source chaude et l'une des sources suivantes comme source froide: l'air ambient, une huile moteur, un fuel ou un fluide de refroidissement de la turbine. Le dispositif de récupération comprend une machine de transformation incluant un générateur électrique connecté au système d'alimentation électrique pourvu d'un système de reconfiguration apte à se reconfigurer de façon à alimenter une barre principale d'alimentation électrique de l'aéronef au moyen du dispositif de récupération d'énergie thermique en cas de perte d'une génération principale.
Description
ARCHITECTURE DE PROPULSION D'AERONEF
INTEGRANT UN SYSTEME DE RECUPERATION D'ENERGIE
La présente invention concerne une architecture de propulsion d'un aéronef tel qu'un aéronef à rotor ou voilure tournante tel qu'un hélicoptère intégrant un système de récupération d'énergie.
L'aéronautique est un secteur historiquement marqué par une exigence continue d'innovation et de progrès technologiques. La recherche de la réduction de l'impact environnemental du transport aérien, émission de gaz à effet de serre et bruit, s'inscrit naturellement dans cette démarche.
Les aéronefs à voilure tournantes sont connus pour leurs émissions de gaz à effet de serre par passager et par kilomètre parcouru élevées.
Les futures réglementations imposeront de respecter des niveaux d'émission de plus en plus bas d'où la nécessité d'améliorer l'efficacité du système de propulsion afin de réduire les émissions polluantes.
Concernant l'optimisation de la partie propulsive des hélicoptères, des projets liés à l'amélioration du rendement des turbomoteurs ont permis certains gains de performances. D'autres projets liés à l'hybridation de l'hélicoptère en considérant différentes architectures permettent d'envisager des gains supplémentaires.
Toutefois l'énergie électrique utilisée pour l'hybridation est généralement stockée dans des batteries dont le poids est pénalisant pour la consommation de carburant et la charge utile.
Concernant les circuits auxiliaires, circuits électriques, hydrauliques et/ou pneumatiques, l'énergie est prélevée sur la boîte accessoire ou la boîte de
INTEGRANT UN SYSTEME DE RECUPERATION D'ENERGIE
La présente invention concerne une architecture de propulsion d'un aéronef tel qu'un aéronef à rotor ou voilure tournante tel qu'un hélicoptère intégrant un système de récupération d'énergie.
L'aéronautique est un secteur historiquement marqué par une exigence continue d'innovation et de progrès technologiques. La recherche de la réduction de l'impact environnemental du transport aérien, émission de gaz à effet de serre et bruit, s'inscrit naturellement dans cette démarche.
Les aéronefs à voilure tournantes sont connus pour leurs émissions de gaz à effet de serre par passager et par kilomètre parcouru élevées.
Les futures réglementations imposeront de respecter des niveaux d'émission de plus en plus bas d'où la nécessité d'améliorer l'efficacité du système de propulsion afin de réduire les émissions polluantes.
Concernant l'optimisation de la partie propulsive des hélicoptères, des projets liés à l'amélioration du rendement des turbomoteurs ont permis certains gains de performances. D'autres projets liés à l'hybridation de l'hélicoptère en considérant différentes architectures permettent d'envisager des gains supplémentaires.
Toutefois l'énergie électrique utilisée pour l'hybridation est généralement stockée dans des batteries dont le poids est pénalisant pour la consommation de carburant et la charge utile.
Concernant les circuits auxiliaires, circuits électriques, hydrauliques et/ou pneumatiques, l'énergie est prélevée sur la boîte accessoire ou la boîte de
2 transmission principale (BTP), consommant du carburant pour l'alimentation de ces systèmes.
La récupération d'énergie est aujourd'hui largement développée pour des applications stationnaires telles que la cogénération.
Dans le cadre des projets d'hélicoptères hybrides, les concepts de rotors hybrides mécanique/électrique ou bien entièrement électriques sont très prometteurs. Il s'agit d'architectures dans lesquelles la puissance mécanique nécessaire est fournie totalement ou en partie par un moteur électrique.
La présente invention traite de la récupération d'énergie thermique, de son utilisation et de sa conversion en énergie électrique.
La présente invention propose en particulier un aéronef pourvu d'au moins une turbine propulsive et comportant un système d'alimentation électrique d'au moins un équipement, pour lequel le système d'alimentation électrique comporte un dispositif de récupération d'énergie thermique installé sur la turbine, fonctionnant avec comme source chaude l'énergie contenue dans les gaz d'échappement de la turbine et comme source froide un fluide tel que l'air ambiant, l'huile moteur, le fuel ou autre fluide de refroidissement de la turbine.
Selon un premier mode de réalisation, le dispositif de récupération d'énergie comporte:
20- un évaporateur, permettant de transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude à un fluide de travail, cet évaporateur étant installé au niveau d'une tuyère de la turbine;
- une machine de transformation d'une énergie thermique du fluide de travail en une énergie mécanique;
25- un générateur électrique alimenté par la machine de transformation;
- un condenseur, permettant de condenser le fluide de travail en sortie de la machine de transformation grâce à des échanges thermiques avec la source froide;
- une pompe, pour compresser le fluide travail en sortie de 30 condenseur et le faire circuler dans l'évaporateur;
- un système de contrôle, permettant d'ajuster la puissance produite à
la puissance désirée, par exemple via un contrôle du débit et/ou de la pression de la pompe.
La récupération d'énergie est aujourd'hui largement développée pour des applications stationnaires telles que la cogénération.
Dans le cadre des projets d'hélicoptères hybrides, les concepts de rotors hybrides mécanique/électrique ou bien entièrement électriques sont très prometteurs. Il s'agit d'architectures dans lesquelles la puissance mécanique nécessaire est fournie totalement ou en partie par un moteur électrique.
La présente invention traite de la récupération d'énergie thermique, de son utilisation et de sa conversion en énergie électrique.
La présente invention propose en particulier un aéronef pourvu d'au moins une turbine propulsive et comportant un système d'alimentation électrique d'au moins un équipement, pour lequel le système d'alimentation électrique comporte un dispositif de récupération d'énergie thermique installé sur la turbine, fonctionnant avec comme source chaude l'énergie contenue dans les gaz d'échappement de la turbine et comme source froide un fluide tel que l'air ambiant, l'huile moteur, le fuel ou autre fluide de refroidissement de la turbine.
Selon un premier mode de réalisation, le dispositif de récupération d'énergie comporte:
20- un évaporateur, permettant de transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude à un fluide de travail, cet évaporateur étant installé au niveau d'une tuyère de la turbine;
- une machine de transformation d'une énergie thermique du fluide de travail en une énergie mécanique;
25- un générateur électrique alimenté par la machine de transformation;
- un condenseur, permettant de condenser le fluide de travail en sortie de la machine de transformation grâce à des échanges thermiques avec la source froide;
- une pompe, pour compresser le fluide travail en sortie de 30 condenseur et le faire circuler dans l'évaporateur;
- un système de contrôle, permettant d'ajuster la puissance produite à
la puissance désirée, par exemple via un contrôle du débit et/ou de la pression de la pompe.
3 Selon un deuxième mode de réalisation, le dispositif de récupération d'énergie comporte:
- un évaporateur, installé en sortie de la turbine, permettant de transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude à un gaz de travail, notamment de l'air;
- une machine de transformation d'une énergie thermique du gaz de travail en une énergie mécanique;
- un générateur électrique alimenté par la machine de transformation;
10- un compresseur et son système de contrôle associé, prélevant l'air ambiant et le compressant en amont de l'évaporateur.
Selon un troisième mode de réalisation, le dispositif de récupération d'énergie comporte un ensemble de cellules thermoélectriques convertissant directement la chaleur issue d'une tuyère de la turbine en électricité.
Le dispositif comporte avantageusement un système d'électronique de puissance intégré en aval du générateur du système de récupération d'énergie, le système électronique de puissance réalisant une ou plusieurs des fonctions suivantes:
- fonctionner au point de puissance maximum disponible au niveau du système de récupération, par exemple par l'intégration d'une fonction usuellement appelée Maximum Power Point Tracking ;
- participer au réglage de la tension, et ainsi participer à la qualité de l'énergie électrique;
- mettre en forme l'énergie électrique en sortie du générateur pour son utilisation par le (les) charge(s) ou le système de distribution alimentés, par exemple la tension nominale générée par l'électronique de puissance sera de 115Vac/400Hz, 28Vdc, 270Vdc, 540Vdc ou autre;
- adapter la consigne de puissance donnée au système de récupération à la puissance demandée par la ou les charges alimentées, ceci impliquant éventuellement un système de mesures /
communications entre le système de récupération, l'électronique de
- un évaporateur, installé en sortie de la turbine, permettant de transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude à un gaz de travail, notamment de l'air;
- une machine de transformation d'une énergie thermique du gaz de travail en une énergie mécanique;
- un générateur électrique alimenté par la machine de transformation;
10- un compresseur et son système de contrôle associé, prélevant l'air ambiant et le compressant en amont de l'évaporateur.
Selon un troisième mode de réalisation, le dispositif de récupération d'énergie comporte un ensemble de cellules thermoélectriques convertissant directement la chaleur issue d'une tuyère de la turbine en électricité.
Le dispositif comporte avantageusement un système d'électronique de puissance intégré en aval du générateur du système de récupération d'énergie, le système électronique de puissance réalisant une ou plusieurs des fonctions suivantes:
- fonctionner au point de puissance maximum disponible au niveau du système de récupération, par exemple par l'intégration d'une fonction usuellement appelée Maximum Power Point Tracking ;
- participer au réglage de la tension, et ainsi participer à la qualité de l'énergie électrique;
- mettre en forme l'énergie électrique en sortie du générateur pour son utilisation par le (les) charge(s) ou le système de distribution alimentés, par exemple la tension nominale générée par l'électronique de puissance sera de 115Vac/400Hz, 28Vdc, 270Vdc, 540Vdc ou autre;
- adapter la consigne de puissance donnée au système de récupération à la puissance demandée par la ou les charges alimentées, ceci impliquant éventuellement un système de mesures /
communications entre le système de récupération, l'électronique de
4 puissance, et éventuellement la(les) charge(s) ou le réseau de distribution alimenté;
- protéger le système de récupération et son générateur contre les surcharges, d'éventuels transitoires de charge indésirables, protection spécifique du générateur (par exemple délestage en cas de surchauffe de l'alternateur);
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de récupération d'énergie réalise préférablement la génération de puissance optionnelle électrique en remplacement de toute ou partie des génératrices alimentées par des prises de mouvement sur une BTP/accessoires moteur.
Selon un mode de réalisation alternatif ou complémentaire, le dispositif de récupération d'énergie est dédiée à l'alimentation de charges optionnelles telles que système de dégivrage/antigivrage, compresseur de climatisation, ou système de chauffage électrique, la génération électrique du dispositif de récupération d'énergie alimentant spécifiquement un équipement optionnel ou un ensemble d'équipements optionnels.
Selon une variante, le dispositif de récupération d'énergie est relié à un système d'alimentation électrique pourvu d'un système de reconfiguration adapté
à se reconfigurer de façon à alimenter une barre principale d'alimentation électrique de l'aéronef au moyen du dispositif de récupération d'énergie en cas de perte de la génération principale Le dispositif de récupération d'énergie alimente avantageusement le réseau électrique principal de l'aéronef en remplacement ou complément (mise en parallèle) de la génération alimentée par des prises de mouvement sur la BTP
ou le boîtier accessoires moteur.
De manière alternative, le dispositif de récupération d'énergie alimente un bus électrique indépendant, en supplément des barres de distribution principales alimentées par les sources BTP, créant ainsi une source supplémentaire indépendante des autres.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de récupération d'énergie alimente en outre des auxiliaires hydrauliques et/ou mécaniques/pneumatiques.
Selon un mode de réalisation particulier, l'aéronef de l'invention est un hélicoptère à rotor principal et rotor arrière.
Le dispositif de récupération d'énergie constitue dans ce cas avantageusement un système d'hybridation du rotor principal et/ou arrière, la
- protéger le système de récupération et son générateur contre les surcharges, d'éventuels transitoires de charge indésirables, protection spécifique du générateur (par exemple délestage en cas de surchauffe de l'alternateur);
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de récupération d'énergie réalise préférablement la génération de puissance optionnelle électrique en remplacement de toute ou partie des génératrices alimentées par des prises de mouvement sur une BTP/accessoires moteur.
Selon un mode de réalisation alternatif ou complémentaire, le dispositif de récupération d'énergie est dédiée à l'alimentation de charges optionnelles telles que système de dégivrage/antigivrage, compresseur de climatisation, ou système de chauffage électrique, la génération électrique du dispositif de récupération d'énergie alimentant spécifiquement un équipement optionnel ou un ensemble d'équipements optionnels.
Selon une variante, le dispositif de récupération d'énergie est relié à un système d'alimentation électrique pourvu d'un système de reconfiguration adapté
à se reconfigurer de façon à alimenter une barre principale d'alimentation électrique de l'aéronef au moyen du dispositif de récupération d'énergie en cas de perte de la génération principale Le dispositif de récupération d'énergie alimente avantageusement le réseau électrique principal de l'aéronef en remplacement ou complément (mise en parallèle) de la génération alimentée par des prises de mouvement sur la BTP
ou le boîtier accessoires moteur.
De manière alternative, le dispositif de récupération d'énergie alimente un bus électrique indépendant, en supplément des barres de distribution principales alimentées par les sources BTP, créant ainsi une source supplémentaire indépendante des autres.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de récupération d'énergie alimente en outre des auxiliaires hydrauliques et/ou mécaniques/pneumatiques.
Selon un mode de réalisation particulier, l'aéronef de l'invention est un hélicoptère à rotor principal et rotor arrière.
Le dispositif de récupération d'énergie constitue dans ce cas avantageusement un système d'hybridation du rotor principal et/ou arrière, la
5 génération électrique du dispositif de récupération d'énergie étant associée en remplacement ou en complément des batteries utilisée pour l'hybridation et placée en série ou en parallèle de ces dernières.
Un système d'électronique de puissance intégré en aval du générateur du dispositif de récupération d'énergie gère avantageusement la mise en parallèle du générateur de récupération avec à au moins un générateur principal de l'aéronef en cas de besoin.
La présente invention propose en outre un système d'entraînement d'au moins un rotor d'un aéronef par énergie électrique en complément ou en remplacement d'un système mécanique pour lequel l'énergie électrique est fournie au moins partiellement par au moins un dispositif de récupération d'énergie thermique issue de gaz chauds d'un moteur à combustion interne de l'aéronef.
Avantageusement, le dispositif de récupération d'énergie thermique comprend une machine thermodynamique utilisant un cycle thermodynamique entre une source chaude, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne, et une source froide, l'air ambiant.
La machine thermodynamique comprend préférablement un premier échangeur sur la source chaude, un second échangeur sur la source froide, un fluide caloporteur circulant entre le premier et le second échangeurs et une unité
de transformation d'énergie thermique en énergie mécanique entre les échangeurs.
Avantageusement, le dispositif de récupération comprend une génératrice électrique assurant une conversion mécanique/électrique couplée à ladite unité
de transformation.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de récupération alimente tout ou partie des circuits auxiliaires tels que les circuits électriques, hydrauliques ou pneumatiques de l'aéronef.
Un système d'électronique de puissance intégré en aval du générateur du dispositif de récupération d'énergie gère avantageusement la mise en parallèle du générateur de récupération avec à au moins un générateur principal de l'aéronef en cas de besoin.
La présente invention propose en outre un système d'entraînement d'au moins un rotor d'un aéronef par énergie électrique en complément ou en remplacement d'un système mécanique pour lequel l'énergie électrique est fournie au moins partiellement par au moins un dispositif de récupération d'énergie thermique issue de gaz chauds d'un moteur à combustion interne de l'aéronef.
Avantageusement, le dispositif de récupération d'énergie thermique comprend une machine thermodynamique utilisant un cycle thermodynamique entre une source chaude, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne, et une source froide, l'air ambiant.
La machine thermodynamique comprend préférablement un premier échangeur sur la source chaude, un second échangeur sur la source froide, un fluide caloporteur circulant entre le premier et le second échangeurs et une unité
de transformation d'énergie thermique en énergie mécanique entre les échangeurs.
Avantageusement, le dispositif de récupération comprend une génératrice électrique assurant une conversion mécanique/électrique couplée à ladite unité
de transformation.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de récupération alimente tout ou partie des circuits auxiliaires tels que les circuits électriques, hydrauliques ou pneumatiques de l'aéronef.
6 L'énergie récupérée alimentant tout ou partie des circuits auxiliaires tels que les circuits électrique, hydraulique ou pneumatique, le prélèvement d'énergie sur la boîte accessoire et BTP sera ainsi supprimé ou diminué.
Le dispositif de récupération comporte avantageusement un dispositif de conversion mécanique/pneumatique d'alimentation des circuits pneumatiques de l'aéronef et/ou un dispositif de conversion mécanique/hydraulique d'alimentation des circuits hydrauliques de l'aéronef.
Selon un mode de réalisation particulier, les gaz chauds sont les gaz d'échappement d'au moins un moteur à pistons de propulsion de l'aéronef.
Dans ce cas, le premier échangeur est avantageusement couplé à une tubulure d'échappement du moteur à piston.
Selon un mode de réalisation alternatif, les gaz chauds sont les gaz générés par au moins une turbine de propulsion de l'aéronef.
Dans ce cas le premier échangeur est avantageusement disposé dans une tuyère de sortie de la turbine.
Le rotor est avantageusement un rotor d'aéronef à voilure tournante et en particulier un rotor arrière d'hélicoptère.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention accompagné des dessins annexés qui représentent:
en figure 1: un schéma d'une architecture conventionnelle de système de propulsion d'aéronef à voilure tournante;
en figure 2: un schéma d'une architecture de système de propulsion d'un aéronef selon l'invention;
en figure 3: un détail d'un schéma électrique d'un dispositif selon l'invention;
en figure 4: un schéma d'intégration d'un système de récupération d'énergie thermique de l'invention.
Le système proposé est adapté à produire de l'énergie électrique à partir de l'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un aéronef et en particulier d'un hélicoptère pour alimenter partiellement ou totalement des systèmes électriques et/ou les rotors principal et/ou arrière à
propulsion hybride électrique ou tout électrique.
Le dispositif de récupération comporte avantageusement un dispositif de conversion mécanique/pneumatique d'alimentation des circuits pneumatiques de l'aéronef et/ou un dispositif de conversion mécanique/hydraulique d'alimentation des circuits hydrauliques de l'aéronef.
Selon un mode de réalisation particulier, les gaz chauds sont les gaz d'échappement d'au moins un moteur à pistons de propulsion de l'aéronef.
Dans ce cas, le premier échangeur est avantageusement couplé à une tubulure d'échappement du moteur à piston.
Selon un mode de réalisation alternatif, les gaz chauds sont les gaz générés par au moins une turbine de propulsion de l'aéronef.
Dans ce cas le premier échangeur est avantageusement disposé dans une tuyère de sortie de la turbine.
Le rotor est avantageusement un rotor d'aéronef à voilure tournante et en particulier un rotor arrière d'hélicoptère.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention accompagné des dessins annexés qui représentent:
en figure 1: un schéma d'une architecture conventionnelle de système de propulsion d'aéronef à voilure tournante;
en figure 2: un schéma d'une architecture de système de propulsion d'un aéronef selon l'invention;
en figure 3: un détail d'un schéma électrique d'un dispositif selon l'invention;
en figure 4: un schéma d'intégration d'un système de récupération d'énergie thermique de l'invention.
Le système proposé est adapté à produire de l'énergie électrique à partir de l'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un aéronef et en particulier d'un hélicoptère pour alimenter partiellement ou totalement des systèmes électriques et/ou les rotors principal et/ou arrière à
propulsion hybride électrique ou tout électrique.
7 Les systèmes de récupération d'énergie installés sur l'aéronef fonctionnent grâce à la présence d'une source chaude, l'énergie contenue dans les gaz d'échappement de la turbine, et une source froide, par exemple l'air ambiant, l'huile moteur, le fuel ou tout autre liquide de refroidissement. Le système de conversion de pertes thermiques en énergie, par exemple électrique, comprend notamment:
- un évaporateur, permettant de transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude (gaz d'échappement) à
un fluide de travail, cet évaporateur étant installé au niveau de la tuyère;
- une turbine ou toute autre machine, par exemple à pistons, permettant de transformer une énergie thermique en une énergie mécanique;
- un générateur électrique alimenté par la machine ci-dessus;
15- un condenseur, permettant de condenser le fluide de travail en sortie de turbine grâce à des échanges thermiques avec la source froide;
- une pompe, pour compresser le fluide travail en sortie de condenseur et le faire circuler dans l'évaporateur;
- un système de contrôle, permettant d'ajuster la puissance produite à
la puissance désirée, par exemple via le contrôle du débit / pression de la pompe.
Il existe d'autres solutions de systèmes de récupération de pertes thermiques : une variante est l'utilisation d'un système comprenant:
- un échangeur de chaleur, permettant de transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude (gaz d'échappement) à un gaz de travail, par exemple de l'air. Cet évaporateur est installé en sortie de la turbine;
- une turbine ou toute autre machine permettant de transformer une énergie thermique en une énergie mécanique;
30- un générateur électrique alimenté par la machine ci-dessus;
- un compresseur, prélevant l'air ambiant et le compressant en amont de l'évaporateur, et son système de contrôle associé.
- un évaporateur, permettant de transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude (gaz d'échappement) à
un fluide de travail, cet évaporateur étant installé au niveau de la tuyère;
- une turbine ou toute autre machine, par exemple à pistons, permettant de transformer une énergie thermique en une énergie mécanique;
- un générateur électrique alimenté par la machine ci-dessus;
15- un condenseur, permettant de condenser le fluide de travail en sortie de turbine grâce à des échanges thermiques avec la source froide;
- une pompe, pour compresser le fluide travail en sortie de condenseur et le faire circuler dans l'évaporateur;
- un système de contrôle, permettant d'ajuster la puissance produite à
la puissance désirée, par exemple via le contrôle du débit / pression de la pompe.
Il existe d'autres solutions de systèmes de récupération de pertes thermiques : une variante est l'utilisation d'un système comprenant:
- un échangeur de chaleur, permettant de transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude (gaz d'échappement) à un gaz de travail, par exemple de l'air. Cet évaporateur est installé en sortie de la turbine;
- une turbine ou toute autre machine permettant de transformer une énergie thermique en une énergie mécanique;
30- un générateur électrique alimenté par la machine ci-dessus;
- un compresseur, prélevant l'air ambiant et le compressant en amont de l'évaporateur, et son système de contrôle associé.
8 Une autre variante est l'utilisation d'un ensemble de cellules thermoélectriques.
Quelle que soit l'application visée, alimentation de système d'hybridation ou alimentation du réseau électrique de bord, un système d'électronique de puissance sera éventuellement intégré en aval du générateur du système de récupération d'énergie. Il réalise une ou plusieurs des fonctions suivantes :
- fonctionner au point de puissance maximum disponible au niveau du système de récupération, par exemple par l'intégration d'une fonction usuellement appelée Maximum Power Point Tracking (suivi du point de puissance maximale);
- participer au réglage de la tension, et ainsi participer à la qualité de l'énergie électrique;
- mettre en forme l'énergie électrique en sortie du générateur pour son utilisation par le (les) charge(s) ou le système de distribution alimentés, par exemple la tension nominale générée par l'électronique de puissance sera de 115Vac/400Hz, 28Vdc, 270Vdc, 540Vdc ou autre;
- adapter la consigne de puissance donnée au système de récupération à la puissance demandée par la ou les charges alimentées, ceci impliquant éventuellement un système de mesures / communications entre le système de récupération, l'électronique de puissance, et éventuellement la(les) charge(s) ou le réseau de distribution alimenté;
- protéger le système de récupération et son générateur contre les surcharges, d'éventuels transitoires de charge indésirables, protection spécifique du générateur (par exemple délestage en cas de surchauffe de l'alternateur);
- gérer la mise en parallèle du générateur de récupération par rapport au(x) générateur(s) principal(aux) , le cas échéant.
Dans la suite, l'ensemble constitué du système de récupération, son éventuel convertisseur d'électronique de puissance associé à une ou plusieurs des fonctions précitées sont appelés génération électrique du système de récupération d'énergie .
Quelle que soit l'application visée, alimentation de système d'hybridation ou alimentation du réseau électrique de bord, un système d'électronique de puissance sera éventuellement intégré en aval du générateur du système de récupération d'énergie. Il réalise une ou plusieurs des fonctions suivantes :
- fonctionner au point de puissance maximum disponible au niveau du système de récupération, par exemple par l'intégration d'une fonction usuellement appelée Maximum Power Point Tracking (suivi du point de puissance maximale);
- participer au réglage de la tension, et ainsi participer à la qualité de l'énergie électrique;
- mettre en forme l'énergie électrique en sortie du générateur pour son utilisation par le (les) charge(s) ou le système de distribution alimentés, par exemple la tension nominale générée par l'électronique de puissance sera de 115Vac/400Hz, 28Vdc, 270Vdc, 540Vdc ou autre;
- adapter la consigne de puissance donnée au système de récupération à la puissance demandée par la ou les charges alimentées, ceci impliquant éventuellement un système de mesures / communications entre le système de récupération, l'électronique de puissance, et éventuellement la(les) charge(s) ou le réseau de distribution alimenté;
- protéger le système de récupération et son générateur contre les surcharges, d'éventuels transitoires de charge indésirables, protection spécifique du générateur (par exemple délestage en cas de surchauffe de l'alternateur);
- gérer la mise en parallèle du générateur de récupération par rapport au(x) générateur(s) principal(aux) , le cas échéant.
Dans la suite, l'ensemble constitué du système de récupération, son éventuel convertisseur d'électronique de puissance associé à une ou plusieurs des fonctions précitées sont appelés génération électrique du système de récupération d'énergie .
9 Concernant l'alimentation des circuits électriques de bord (hors système d'hybridation), trois architectures sont envisagées.
Dans une première architecture, la génération de puissance optionnelle, par exemple toute ou partie des génératrices habituellement alimentées par des prises de mouvement sur la BTP/accessoires moteur, sont remplacées par la génération électrique du système de récupération d'énergie. Cette dernière peut être dédiée à
l'alimentation de charges optionnelles, par exemple le système de dégivrage /
antigivrage, un compresseur de climatisation, ou encore un système de chauffage électrique. Dans ce cas, la génération électrique du système de récupération d'énergie alimente spécifiquement un équipement optionnel ou un ensemble d'équipements optionnels. En cas de perte de la génération principale, le système peut éventuellement se reconfigurer de façon à alimenter la barre principale, grâce à un dispositif de reconfiguration. Cette architecture a le double avantage de diminuer le prélèvement de puissance sur la BTP/accessoires moteur ¨ et donc de diminuer la consommation de carburant ¨ et d'améliorer la disponibilité de l'énergie en cas de défaut.
Dans une seconde architecture, la génération électrique du système de récupération d'énergie alimente le réseau principal en remplacement ou complément (mise en parallèle) de la génération alimentée par des prises de mouvement sur la BTP ou le boîtier accessoires moteur permettant de diminuer la consommation spécifique du moteur. Le dimensionnement de la génératrice alimentée par la BTP / boîte accessoires moteur sera donc diminué comparé au cas où la génération par récupération n'est pas installée.
Une troisième solution est que la génération électrique du système de récupération alimente un bus essentiel indépendant, en supplément des barres de distribution principales et essentielles alimentées par les sources BTP, créant ainsi une source supplémentaire indépendante des autres.
Cette structure d'alimentation permet d'améliorer significativement la fiabilité opérationnelle mais surtout la sécurité du système électrique permettant ainsi l'installation de charges à nombre important de sources indépendantes, en particulier des actionneurs de vol électriques.
Outre l'alimentation de systèmes auxiliaires électriques, une autre utilisation possible est l'alimentation d'auxiliaires hydrauliques (pompe hydraulique par exemple) ou mécaniques/pneumatiques (compresseur de climatisation par exemple).
En ce qui concerne l'alimentation du système d'hybridation du rotor principal et/ou arrière, la génération électrique du système de récupération est 5 associée en remplacement ou en complément des batteries utilisée pour l'hybridation et placée en série ou en parallèle de ces dernières.
Quelle que soit l'utilisation choisie, le principe de fonctionnement des systèmes de récupération d'énergie nécessite une évacuation d'énergie thermique hors du système de récupération via un échangeur de chaleur.
Dans une première architecture, la génération de puissance optionnelle, par exemple toute ou partie des génératrices habituellement alimentées par des prises de mouvement sur la BTP/accessoires moteur, sont remplacées par la génération électrique du système de récupération d'énergie. Cette dernière peut être dédiée à
l'alimentation de charges optionnelles, par exemple le système de dégivrage /
antigivrage, un compresseur de climatisation, ou encore un système de chauffage électrique. Dans ce cas, la génération électrique du système de récupération d'énergie alimente spécifiquement un équipement optionnel ou un ensemble d'équipements optionnels. En cas de perte de la génération principale, le système peut éventuellement se reconfigurer de façon à alimenter la barre principale, grâce à un dispositif de reconfiguration. Cette architecture a le double avantage de diminuer le prélèvement de puissance sur la BTP/accessoires moteur ¨ et donc de diminuer la consommation de carburant ¨ et d'améliorer la disponibilité de l'énergie en cas de défaut.
Dans une seconde architecture, la génération électrique du système de récupération d'énergie alimente le réseau principal en remplacement ou complément (mise en parallèle) de la génération alimentée par des prises de mouvement sur la BTP ou le boîtier accessoires moteur permettant de diminuer la consommation spécifique du moteur. Le dimensionnement de la génératrice alimentée par la BTP / boîte accessoires moteur sera donc diminué comparé au cas où la génération par récupération n'est pas installée.
Une troisième solution est que la génération électrique du système de récupération alimente un bus essentiel indépendant, en supplément des barres de distribution principales et essentielles alimentées par les sources BTP, créant ainsi une source supplémentaire indépendante des autres.
Cette structure d'alimentation permet d'améliorer significativement la fiabilité opérationnelle mais surtout la sécurité du système électrique permettant ainsi l'installation de charges à nombre important de sources indépendantes, en particulier des actionneurs de vol électriques.
Outre l'alimentation de systèmes auxiliaires électriques, une autre utilisation possible est l'alimentation d'auxiliaires hydrauliques (pompe hydraulique par exemple) ou mécaniques/pneumatiques (compresseur de climatisation par exemple).
En ce qui concerne l'alimentation du système d'hybridation du rotor principal et/ou arrière, la génération électrique du système de récupération est 5 associée en remplacement ou en complément des batteries utilisée pour l'hybridation et placée en série ou en parallèle de ces dernières.
Quelle que soit l'utilisation choisie, le principe de fonctionnement des systèmes de récupération d'énergie nécessite une évacuation d'énergie thermique hors du système de récupération via un échangeur de chaleur.
10 Usuellement, cette énergie est rejetée dans l'atmosphère mais une option consiste à récupérer tout ou partie de cette énergie pour réchauffer de l'air (par exemple la cabine ¨ le système de chauffage), le fuel ou tout autre partie ou composant de l'aéronef.
Le schéma de la figure 1 représente une architecture traditionnelle d'hélicoptère bimoteur à rotor principal et rotor arrière pour laquelle les deux moteurs à combustion interne la, lb, moteurs à pistons ou turbines entraînent une boîte de transmission principale 4 dite BTM au travers d'une liaison mécanique primaire 20 telle qu'un arbre de transmission.
La BTM 4 distribue une puissance mécanique au travers d'une liaison mécanique secondaire 21 vers un rotor principal 2, une boîte de transmission arrière 5 d'entraînement mécanique d'un rotor arrière 3, une génératrice électrique 7, un générateur de pression hydraulique 11 et un générateur de pression pneumatique 12.
Sur ce schéma la puissance électrique délivrée par la génératrice 7 est distribuée par un réseau de distribution électrique 10 alimentant les divers organes électriques de l'hélicoptère.
Le schéma de la figure 2 correspond à une architecture d'hélicoptère bimoteur à rotor principal et rotor arrière comprenant le système de l'invention.
Comme dans le schéma de la figure 1, les moteurs à combustion interne la, lb distribuent une puissance mécanique vers une BTM 4 qui selon l'exemple entraîne le rotor principal 2.
Le schéma de la figure 1 représente une architecture traditionnelle d'hélicoptère bimoteur à rotor principal et rotor arrière pour laquelle les deux moteurs à combustion interne la, lb, moteurs à pistons ou turbines entraînent une boîte de transmission principale 4 dite BTM au travers d'une liaison mécanique primaire 20 telle qu'un arbre de transmission.
La BTM 4 distribue une puissance mécanique au travers d'une liaison mécanique secondaire 21 vers un rotor principal 2, une boîte de transmission arrière 5 d'entraînement mécanique d'un rotor arrière 3, une génératrice électrique 7, un générateur de pression hydraulique 11 et un générateur de pression pneumatique 12.
Sur ce schéma la puissance électrique délivrée par la génératrice 7 est distribuée par un réseau de distribution électrique 10 alimentant les divers organes électriques de l'hélicoptère.
Le schéma de la figure 2 correspond à une architecture d'hélicoptère bimoteur à rotor principal et rotor arrière comprenant le système de l'invention.
Comme dans le schéma de la figure 1, les moteurs à combustion interne la, lb distribuent une puissance mécanique vers une BTM 4 qui selon l'exemple entraîne le rotor principal 2.
11 Par contre selon l'invention, des dispositifs de récupération d'énergie thermique 6a, 6b sont alimentés par des prises de chaleur 40a, 40b au niveau des sorties de gaz chauds des moteurs la, lb.
Les dispositifs de récupération d'énergie thermiques 6a, 6b sont par exemple des turbines 104 selon la figure 4, les prises de chaleur étant des échangeurs chauds 103 selon cette même figure.
De retour à la figure 2, l'énergie récupérée est utilisée pour alimenter les génératrices électriques 7a, 7b, les générateurs de pression hydraulique 11a, llb et les générateurs de pression pneumatique 12a, 12b.
Il est bien entendu possible de n'alimenter que les génératrices électriques par le système de l'invention.
Il est à noter que dans le cas d'un aéronef bimoteur comme représenté
comprenant des moteurs à combustion interne à pistons ou à turbine il est possible d'associer un dispositif de récupération sur un premier des moteurs à
combustion interne à une génératrice électrique, l'autre des moteurs à
combustion interne aux générateurs de pression 11, 12 ou tout autre arrangement tout en restant dans le cadre de l'invention.
La ou les génératrices électriques 7a, 7b vont alimenter un réseau électrique 50 alimentant les réseaux de distribution électrique 10a, 10b et une électronique de puissance 8 de commande d'un moteur électrique 9 d'entraînement du rotor arrière 3 de l'hélicoptère.
Pour accroître la puissance apportée au rotor arrière ou au système en fonction des configurations de vol, un moteur électrique 9 couplé sur l'arbre principal 30 est raccordé à l'électronique de puissance 8 pour alimenter cette dernière si la puissance thermique récupérée est insuffisante.
Ainsi, le système de l'invention réalise ici une propulsion hybride thermique/électrique de l'hélicoptère et peut réaliser en outre, si la puissance récupérée est suffisante, une alimentation des circuits auxiliaires de l'aéronef et notamment le réseau électrique, le circuit pneumatique, par exemple des compresseurs de climatisation et/ou le circuit hydraulique, par exemple des pompes hydrauliques.
Les dispositifs de récupération d'énergie thermiques 6a, 6b sont par exemple des turbines 104 selon la figure 4, les prises de chaleur étant des échangeurs chauds 103 selon cette même figure.
De retour à la figure 2, l'énergie récupérée est utilisée pour alimenter les génératrices électriques 7a, 7b, les générateurs de pression hydraulique 11a, llb et les générateurs de pression pneumatique 12a, 12b.
Il est bien entendu possible de n'alimenter que les génératrices électriques par le système de l'invention.
Il est à noter que dans le cas d'un aéronef bimoteur comme représenté
comprenant des moteurs à combustion interne à pistons ou à turbine il est possible d'associer un dispositif de récupération sur un premier des moteurs à
combustion interne à une génératrice électrique, l'autre des moteurs à
combustion interne aux générateurs de pression 11, 12 ou tout autre arrangement tout en restant dans le cadre de l'invention.
La ou les génératrices électriques 7a, 7b vont alimenter un réseau électrique 50 alimentant les réseaux de distribution électrique 10a, 10b et une électronique de puissance 8 de commande d'un moteur électrique 9 d'entraînement du rotor arrière 3 de l'hélicoptère.
Pour accroître la puissance apportée au rotor arrière ou au système en fonction des configurations de vol, un moteur électrique 9 couplé sur l'arbre principal 30 est raccordé à l'électronique de puissance 8 pour alimenter cette dernière si la puissance thermique récupérée est insuffisante.
Ainsi, le système de l'invention réalise ici une propulsion hybride thermique/électrique de l'hélicoptère et peut réaliser en outre, si la puissance récupérée est suffisante, une alimentation des circuits auxiliaires de l'aéronef et notamment le réseau électrique, le circuit pneumatique, par exemple des compresseurs de climatisation et/ou le circuit hydraulique, par exemple des pompes hydrauliques.
12 Le système de récupération d'énergie décrit un cycle thermodynamique entre une source chaude, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne, et une source froide, l'air ambiant.
Il comprend notamment au niveau du ou des récupérateurs d'énergie thermique 6a, 6b un élément moteur ou une turbine, turbine vapeur, machine à
vapeur moteur Stirling ou autre moteur dit à combustion externe couplés à une génératrice 7a, 7b assurant une conversion mécanique/électrique.
Une variante remplace l'élément moteur par un générateur thermoélectrique.
Le système inclut aussi un système de conversion mécanique/hydraulique 11a, llb et mécanique/pneumatique 12a, 12b permettant l'alimentation de tout ou partie des circuits auxiliaires.
Cette solution permet d'augmenter sensiblement l'efficacité énergétique de la chaine de propulsion par une valorisation des rejets thermiques du ou des moteurs à combustion interne.
Le couplage du convertisseur d'énergie thermique/électrique à un moteur électrique 9 du rotor arrière 3 permet une plus grande flexibilité au niveau des régimes de rotation comparée à une adaptation mécanique directe sur la boite de transmission 5 de l'architecture antérieure. La nouvelle architecture permise par l'invention permet également une diminution de la masse des batteries à
embarquer du fait de l'alimentation au moins en partie directe des moteurs électriques par le système de récupération de chaleur.
De plus, la suppression du prélèvement d'énergie pour faire fonctionner les circuits auxiliaires sur la boîte accessoire dite BTP participe aussi à la diminution de consommation de carburant de l'aéronef.
Il est à noter qu'il reste toutefois possible dans le cadre de l'invention de faire fonctionner toute ou partie des circuits auxiliaires hors rotor arrière sur la BTP, dans le cas par exemple d'un hélicoptère monomoteur pour lequel la puissance récupérable au niveau des gaz d'échappement serait trop limitée.
Enfin, l'échangeur de chaleur entre la source chaude gaz d'échappement et la source froide l'air ambiant source froide peut être utilisé pour une fonction secondaire, celle de réchauffer l'air ambiant et ainsi alimenter la cabine en air chaud. Il n'est donc plus nécessaire de prélever de l'air chaud du turbomoteur en
Il comprend notamment au niveau du ou des récupérateurs d'énergie thermique 6a, 6b un élément moteur ou une turbine, turbine vapeur, machine à
vapeur moteur Stirling ou autre moteur dit à combustion externe couplés à une génératrice 7a, 7b assurant une conversion mécanique/électrique.
Une variante remplace l'élément moteur par un générateur thermoélectrique.
Le système inclut aussi un système de conversion mécanique/hydraulique 11a, llb et mécanique/pneumatique 12a, 12b permettant l'alimentation de tout ou partie des circuits auxiliaires.
Cette solution permet d'augmenter sensiblement l'efficacité énergétique de la chaine de propulsion par une valorisation des rejets thermiques du ou des moteurs à combustion interne.
Le couplage du convertisseur d'énergie thermique/électrique à un moteur électrique 9 du rotor arrière 3 permet une plus grande flexibilité au niveau des régimes de rotation comparée à une adaptation mécanique directe sur la boite de transmission 5 de l'architecture antérieure. La nouvelle architecture permise par l'invention permet également une diminution de la masse des batteries à
embarquer du fait de l'alimentation au moins en partie directe des moteurs électriques par le système de récupération de chaleur.
De plus, la suppression du prélèvement d'énergie pour faire fonctionner les circuits auxiliaires sur la boîte accessoire dite BTP participe aussi à la diminution de consommation de carburant de l'aéronef.
Il est à noter qu'il reste toutefois possible dans le cadre de l'invention de faire fonctionner toute ou partie des circuits auxiliaires hors rotor arrière sur la BTP, dans le cas par exemple d'un hélicoptère monomoteur pour lequel la puissance récupérable au niveau des gaz d'échappement serait trop limitée.
Enfin, l'échangeur de chaleur entre la source chaude gaz d'échappement et la source froide l'air ambiant source froide peut être utilisé pour une fonction secondaire, celle de réchauffer l'air ambiant et ainsi alimenter la cabine en air chaud. Il n'est donc plus nécessaire de prélever de l'air chaud du turbomoteur en
13 sortie de compresseur comme dans une architecture conventionnelle de moteur à
turbine, ce qui permet d'améliorer l'efficacité de la turbine.
La solution est basée sur une intégration d'un système de récupération/conversion de chaleur en énergie électrique, machine à cycle thermodynamique couplée à une génératrice dans la tuyère de la turbine ou la ligne d'échappement.
Ce système inclus trois ensembles principaux :
- Un premier échangeur de chaleur au niveau de la source chaude, échangeur placé dans le ligne des gaz d'échappement d'un moteur à pistons ou dans la tuyère d'une turbine de l'aéronef, permettant de récupérer une partie de l'énergie thermique des gaz d'échappements, - Un second échangeur de chaleur au niveau de la source froide placé en aval du système de conversion permettant d'évacuer la chaleur du cycle thermodynamique mais pouvant également réchauffer l'air ambiant pour alimenter la cabine en air chaud ce qui permet de réduire le besoin de prélèvement d'air dans la turbine d'hélicoptère et d'améliorer son efficacité énergétique.
- Un système de conversion de l'énergie thermique récupérée entre les deux échangeurs en énergie électrique.
Dans le cas d'un aéronef à plusieurs turbines, deux configurations sont envisagées.
Dans la première configuration on installe un système échangeur de chaleur par turbine et un seul système de conversion de l'énergie thermique récupérée en énergie électrique pour l'aéronef.
Dans la deuxième configuration on installe un système de conversion d'énergie thermique en énergie électrique par échangeur de chaleur.
La figure 3 représente un exemple du circuit électrique de la figure 1 plus détaillé pour lequel les génératrices 7a, 7b alimentent un dispositif de répartition et de régulation 13 comportant un calculateur définissant des lois de contrôle pour permettre la bonne distribution/répartition de puissance.
Au final, le système de récupération pourra être utilisé pour réaliser une ou plusieurs des fonctions suivantes :
turbine, ce qui permet d'améliorer l'efficacité de la turbine.
La solution est basée sur une intégration d'un système de récupération/conversion de chaleur en énergie électrique, machine à cycle thermodynamique couplée à une génératrice dans la tuyère de la turbine ou la ligne d'échappement.
Ce système inclus trois ensembles principaux :
- Un premier échangeur de chaleur au niveau de la source chaude, échangeur placé dans le ligne des gaz d'échappement d'un moteur à pistons ou dans la tuyère d'une turbine de l'aéronef, permettant de récupérer une partie de l'énergie thermique des gaz d'échappements, - Un second échangeur de chaleur au niveau de la source froide placé en aval du système de conversion permettant d'évacuer la chaleur du cycle thermodynamique mais pouvant également réchauffer l'air ambiant pour alimenter la cabine en air chaud ce qui permet de réduire le besoin de prélèvement d'air dans la turbine d'hélicoptère et d'améliorer son efficacité énergétique.
- Un système de conversion de l'énergie thermique récupérée entre les deux échangeurs en énergie électrique.
Dans le cas d'un aéronef à plusieurs turbines, deux configurations sont envisagées.
Dans la première configuration on installe un système échangeur de chaleur par turbine et un seul système de conversion de l'énergie thermique récupérée en énergie électrique pour l'aéronef.
Dans la deuxième configuration on installe un système de conversion d'énergie thermique en énergie électrique par échangeur de chaleur.
La figure 3 représente un exemple du circuit électrique de la figure 1 plus détaillé pour lequel les génératrices 7a, 7b alimentent un dispositif de répartition et de régulation 13 comportant un calculateur définissant des lois de contrôle pour permettre la bonne distribution/répartition de puissance.
Au final, le système de récupération pourra être utilisé pour réaliser une ou plusieurs des fonctions suivantes :
14 -Alimentation du rotor principal, dans ce cas la BTP 4 alimentera un générateur similaire au générateur 9 intercalé entre la BTP et un moteur électrique d'entraînement du rotor principal, -Alimentation du rotor arrière comme décrit dans l'exemple de la figure 2;
-Alimentation des réseaux électrique / pneumatique / hydraulique toujours selon l'exemple de la figure 2.
Le système de récupération alimentera un réseau électrique distribué à la tension de 270Vdc, 115Vac/200Vac, 28Vdc ou tout autre niveau de tension alternative ou continue souhaité.
Dans le cas où la puissance produite par le système de récupération est insuffisante pour alimenter l'un des rotors, on peut coupler un générateur électrique 9 à la boite de transmission d'origine pour fournir la puissance complémentaire nécessaire selon l'exemple de la figure 2.
La figure 4 représente un schéma possible d'intégration d'un système de récupération d'énergie thermique sur un moteur à combustion interne 1 de type à
turbine comprenant de manière connue des étages 100, 101 de compresseurs et une tuyère de sortie 102.
Le dispositif de récupération d'énergie thermique comprend une machine thermodynamique 200 utilisant un cycle thermodynamique entre une source chaude, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne et une source froide, l'air ambiant.
La machine thermodynamique ou turbine à vapeur à cycle fermé
notamment à cycle de Rankine comprend un premier échangeur 103, échangeur chaud, sur la source chaude, ici la tuyère 102 du moteur à combustion interne, un second échangeur 105 sur la source froide, par exemple un radiateur en contact avec l'air extérieur que traverse l'aéronef, un fluide caloporteur circulant entre le premier et le second échangeurs par un circuit tubulaire 107 et une unité de transformation d'énergie thermique en énergie mécanique ici sous forme d'une turbine 104.
La machine thermodynamique comprend en outre une pompe 106 faisant circuler le fluide dans le circuit de fluide caloporteur 107.
La turbine 104 entraîne ici un générateur électrique 108 qui sera utilisé
comme décrit précédemment.
Un avantage du système de l'invention est de diminuer la température de sortie des gaz du moteur thermique de l'aéronef ce qui diminue sa signature 5 infrarouge.
L'invention qui n'est pas limitée à l'exemple représenté, correspondant à un appareil bimoteur, mais qui est notamment applicable à un appareil monomoteur s'applique en particulier aux hélicoptères ou aux drones à voilure tournante et permet d'améliorer l'efficacité globale du système de propulsion de l'aéronef, 10 notamment dans le cas où la ou les turbines de cet appareil fournissent un travail et non une poussée.
-Alimentation des réseaux électrique / pneumatique / hydraulique toujours selon l'exemple de la figure 2.
Le système de récupération alimentera un réseau électrique distribué à la tension de 270Vdc, 115Vac/200Vac, 28Vdc ou tout autre niveau de tension alternative ou continue souhaité.
Dans le cas où la puissance produite par le système de récupération est insuffisante pour alimenter l'un des rotors, on peut coupler un générateur électrique 9 à la boite de transmission d'origine pour fournir la puissance complémentaire nécessaire selon l'exemple de la figure 2.
La figure 4 représente un schéma possible d'intégration d'un système de récupération d'énergie thermique sur un moteur à combustion interne 1 de type à
turbine comprenant de manière connue des étages 100, 101 de compresseurs et une tuyère de sortie 102.
Le dispositif de récupération d'énergie thermique comprend une machine thermodynamique 200 utilisant un cycle thermodynamique entre une source chaude, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne et une source froide, l'air ambiant.
La machine thermodynamique ou turbine à vapeur à cycle fermé
notamment à cycle de Rankine comprend un premier échangeur 103, échangeur chaud, sur la source chaude, ici la tuyère 102 du moteur à combustion interne, un second échangeur 105 sur la source froide, par exemple un radiateur en contact avec l'air extérieur que traverse l'aéronef, un fluide caloporteur circulant entre le premier et le second échangeurs par un circuit tubulaire 107 et une unité de transformation d'énergie thermique en énergie mécanique ici sous forme d'une turbine 104.
La machine thermodynamique comprend en outre une pompe 106 faisant circuler le fluide dans le circuit de fluide caloporteur 107.
La turbine 104 entraîne ici un générateur électrique 108 qui sera utilisé
comme décrit précédemment.
Un avantage du système de l'invention est de diminuer la température de sortie des gaz du moteur thermique de l'aéronef ce qui diminue sa signature 5 infrarouge.
L'invention qui n'est pas limitée à l'exemple représenté, correspondant à un appareil bimoteur, mais qui est notamment applicable à un appareil monomoteur s'applique en particulier aux hélicoptères ou aux drones à voilure tournante et permet d'améliorer l'efficacité globale du système de propulsion de l'aéronef, 10 notamment dans le cas où la ou les turbines de cet appareil fournissent un travail et non une poussée.
Claims (23)
1 - Aéronef ayant un rotor principal et un rotor arrière, ledit aéronef étant pourvu d'au moins une turbine propulsive et comprenant un système d'alimentation électrique pour alimenter au moins un équipement, dans lequel ledit aéronef comporte un dispositif de récupération d'énergie thermique, installé sur ladite au moins une turbine propulsive, pour générer de l'énergie électrique en utilisant une énergie thermique contenue dans des gaz d'échappement de ladite au moins une turbine propulsive comme source chaude et en utilisant l'une des sources suivantes comme source froide: l'air ambient, une huile moteur, un fuel ou un fluide de refroidissement de la turbine, et dans lequel ledit dispositif de récupération d'énergie thermique comprend une machine de transformation incluant un générateur électrique, dans lequel ledit générateur électrique est connecté au système d'alimentation électrique dudit aéronef pourvu d'un système de reconfiguration apte à se reconfigurer de façon à alimenter une barre principale d'alimentation électrique de l'aéronef au moyen du dispositif de récupération d'énergie thermique en cas de perte d'une génération principale.
2 - Aéronef selon la revendication 1, pour lequel la machine de transformation transforme une énergie thermique d'un fluide de travail en une énergie mécanique, et pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique comporte:
un évaporateur pour transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude au fluide de travail, l'évaporateur étant installé au niveau d'une tuyère de ladite au moins une turbine propulsive;
un condenseur pour condenser le fluide de travail en sortie de la machine de transformation grâce à des échanges thermiques avec la source froide;
une pompe pour compresser le fluide travail en sortie du condenseur et le faire circuler dans l'évaporateur; et un système de contrôle pour ajuster une puissance produite par le dispositif de récupération d'énergie thermique via un contrôle d'au moins un débit ou une pression de la pompe.
un évaporateur pour transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude au fluide de travail, l'évaporateur étant installé au niveau d'une tuyère de ladite au moins une turbine propulsive;
un condenseur pour condenser le fluide de travail en sortie de la machine de transformation grâce à des échanges thermiques avec la source froide;
une pompe pour compresser le fluide travail en sortie du condenseur et le faire circuler dans l'évaporateur; et un système de contrôle pour ajuster une puissance produite par le dispositif de récupération d'énergie thermique via un contrôle d'au moins un débit ou une pression de la pompe.
3 - Aéronef selon la revendication 1 pour lequel un fluide de travail est un gaz de travail et pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique comporte:
un évaporateur, installé en sortie de la turbine, pour transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude au gaz de travail;
la machine de transformation pour transformer une énergie thermique du gaz de travail en une énergie mécanique; et un compresseur et un système de contrôle associé pour prélever le gaz de travail et le compresser en amont de l'évaporateur.
un évaporateur, installé en sortie de la turbine, pour transférer une partie de l'énergie thermique contenue dans la source chaude au gaz de travail;
la machine de transformation pour transformer une énergie thermique du gaz de travail en une énergie mécanique; et un compresseur et un système de contrôle associé pour prélever le gaz de travail et le compresser en amont de l'évaporateur.
4 - Aéronef selon la revendication 1 pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique comporte un ensemble de cellules thermoélectriques pour convertir une chaleur issue d'une tuyère de la turbine directement en électricité.
- Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant un système électronique de puissance intégré en aval du générateur électrique du dispositif de récupération d'énergie thermique, le système électronique de puissance étant configuré pour fonctionner à un point de puissance maximum disponible au niveau du dispositif de récupération d'énergie thermique par l'intégration d'une fonction de Maximum Power Point Tracking, pour régler une tension et pour contrôler une qualité de l'énergie électrique, pour mettre en forme l'énergie électrique en sortie du générateur électrique pour son utilisation par une ou plusieurs charges ou un système de distribution alimentés, pour adapter une consigne de puissance donnée au dispositif de récupération d'énergie thermique à une puissance demandée par la ou les charges alimentées, et pour protéger le dispositif de récupération d'énergie thermique et le générateur électrique contre une surcharge.
- Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant un système électronique de puissance intégré en aval du générateur électrique du dispositif de récupération d'énergie thermique, le système électronique de puissance étant configuré pour fonctionner à un point de puissance maximum disponible au niveau du dispositif de récupération d'énergie thermique par l'intégration d'une fonction de Maximum Power Point Tracking, pour régler une tension et pour contrôler une qualité de l'énergie électrique, pour mettre en forme l'énergie électrique en sortie du générateur électrique pour son utilisation par une ou plusieurs charges ou un système de distribution alimentés, pour adapter une consigne de puissance donnée au dispositif de récupération d'énergie thermique à une puissance demandée par la ou les charges alimentées, et pour protéger le dispositif de récupération d'énergie thermique et le générateur électrique contre une surcharge.
18
6 - Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique comporte des moyens pour générer une puissance optionnelle électrique en remplacement de toute ou partie des génératrices alimentées par des prises de mouvement sur une BTP (Boîte de Transmission Principale)/accessoires moteur.
7 - Aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique comprend des moyens pour alimenter au moins l'une des charges suivantes: un système de dégivrage/antigivrage, un compresseur de climatisation ou système de chauffage électrique.
8 - Aéronef selon la revendication 1, pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique alimente un réseau électrique principal de l'aéronef en remplacement de, ou en complément par une mise en parallèle avec, l'énergie électrique générée par des prises de mouvement sur une BTP (Boîte de Transmission Principale) ou un boîtier accessoires moteur.
9 - Aéronef selon la revendication 8, pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique alimente au moins un auxiliaire hydraulique ou mécanique/pneumatique.
- Aéronef selon la revendication 1, pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique alimente un bus électrique indépendant en supplément de barres de distribution principales alimentées par des sources BTP (Boîte de Transmission Principale), créant ainsi une source d'alimentation supplémentaire indépendante.
11 - Aéronef selon la revendication 1, comprenant un système électronique de puissance intégré en aval du générateur électrique du dispositif de récupération d'énergie thermique pour gérer une mise en parallèle du générateur électrique avec au moins un générateur principal de l'aéronef.
12 - Aéronef selon la revendication 1, pour lequel l'énergie électrique générée par le dispositif de récupération d'énergie thermique est associée à des batteries utilisées pour une hybridation au moins du rotor principal ou du rotor arrière, et placée en série ou en parallèle de ces dernières.
13. Système d'entraînement d'au moins un rotor d'un aéronef par énergie électrique en complément, ou en remplacement, d'un système mécanique, comprenant au moins un dispositif de récupération d'énergie thermique pour récupérer de l'énergie thermique issue de gaz chauds d'un moteur à combustion interne de l'aéronef pour fournir au moins en partie l'énergie électrique pour entraîner ledit au moins un rotor, et pour lequel ledit au moins un dispositif de récupération d'énergie thermique comporte un machine thermodynamique utilisant un cycle thermodynamique entre des gaz d'échappement du moteur à combustion interne comme source chaude et l'air ambient comme source froide, et un générateur électrique couplé à une unité de transformation pour produire une transformation mécanique/électrique, et pour lequel ledit générateur électrique est connecté
à un système d'alimentation électrique dudit aéronef pourvu d'un système de reconfiguration apte à se reconfigurer de façon à ce que ledit au moins un rotor dudit aéronef est alimenté par ledit au moins un dispositif de récupération d'énergie thermique en cas de perte du système mécanique.
à un système d'alimentation électrique dudit aéronef pourvu d'un système de reconfiguration apte à se reconfigurer de façon à ce que ledit au moins un rotor dudit aéronef est alimenté par ledit au moins un dispositif de récupération d'énergie thermique en cas de perte du système mécanique.
14 - Système d'entraînement selon la revendication 13, pour lequel la machine thermodynamique comprend un premier échangeur sur la source chaude, un second échangeur sur la source froide, et un fluide caloporteur circulant entre le premier et le second échangeurs, et pour lequel l'unité de transformation transforme l'énergie thermique en énergie mécanique entre les échangeurs.
15 - Système d'entraînement selon la revendication 14, pour lequel les gaz chauds sont des gaz d'échappement d'un moteur à pistons de propulsion de l'aéronef.
16 - Système d'entraînement selon la revendication 15, pour lequel le premier échangeur est couplé à une tubulure d'échappement du moteur à pistons.
17 - Système d'entraînement selon la revendication 14, pour lequel les gaz chauds sont des gaz générés par une turbine de propulsion de l'aéronef.
18 - Système d'entraînement selon la revendication 17, pour lequel le premier échangeur est disposé dans une tuyère de sortie de la turbine.
19 - Système d'entraînement selon la revendication 13, pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique alimente tout ou partie des circuits auxiliaires suivants: des circuits électriques, des circuits hydrauliques ou des circuits pneumatiques de l'aéronef.
20 - Système d'entraînement selon la revendication 19, pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique comporte un dispositif de conversion mécanique/pneumatique d'alimentation des circuits pneumatiques de l'aéronef.
21 - Système d'entraînement selon la revendication 19, pour lequel le dispositif de récupération d'énergie thermique comporte un dispositif de conversion mécanique/hydraulique d'alimentation des circuits hydrauliques de l'aéronef.
22 - Système d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 13 à
21, pour lequel ledit au moins un rotor est un rotor d'aéronef à voilure tournante.
21, pour lequel ledit au moins un rotor est un rotor d'aéronef à voilure tournante.
23 - Système d'entraînement selon la revendication 22 pour lequel ledit au moins un rotor est un rotor arrière d'hélicoptère.
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