FR3033837A1 - Perfectionnements aux groupes de puissance pour aeronefs - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un groupe de puissance (1) comportant un ensemble turbine à gaz (20) et un ensemble moteur à pistons (30), le groupe de puissance (1) étant caractérisé en ce que l'ensemble moteur à pistons (30) est mécaniquement couplé à l'ensemble turbine à gaz (20) entre le compresseur de turbine à gaz (22) et la turbine (23) et en ce que la turbine (23) comporte une turbine haute-pression (231) agencée pour être entrainée par les gaz d'échappement issus de la chambre de combustion (21) et couplée au compresseur (22), et une turbine de puissance (232) agencée pour être entraînée par les gaz d'échappement issus de la turbine haute-pression (231) et couplée à une charge (50).

Description

1 DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des groupes de puissance pour aéronefs. ETAT DE LA TECHNIQUE Un moteur d'avion ou d'hélicoptère est dimensionné pour pouvoir fournir une 10 forte puissance pendant un temps limité généralement au moment du décollage et de la montée initiale pour les systèmes propulsifs, ou au moment du démarrage des moteurs principaux pour les systèmes non-propulsifs. Un moteur d'avion ou d'hélicoptère est par conséquent surdimensionné pour la phase du vol la plus longue, typiquement en régime de croisière pour un système 15 propulsif, et ce au détriment de la masse et du rendement du moteur. La propulsion des appareils aéronautiques est assurée soit par des moteurs à pistons, pour des puissances inférieures à 250kW environ (avions et hélicoptères légers, drones), soit par des turbines à gaz (turbomoteurs et turbopropulseurs) pour des puissances supérieures. 20 Les moteurs à pistons et les turbines à gaz présentent chacun des avantages et des inconvénients. Les moteurs à pistons, en particulier à cycle diesel, offrent d'excellents rendements thermiques sur une large plage de fonctionnement tandis que le rendement des turbines à gaz se dégrade fortement en dehors du point de 25 dimensionnement. Les turbines à gaz offrent en revanche un meilleur rapport poids/puissance (typiquement de l'ordre de 3 à 5kW/kg pour une turbine à gaz au lieu de 0,6 à lkW/kg pour un moteur à pistons). Les turbines à gaz ne fonctionnent qu'au-dessus d'un régime minimum 30 permettant d'assurer la combustion, tandis que les moteurs à pistons ne fonctionnent que dans un domaine de pression et de température restreint. 3033837 2 Par ailleurs, l'opérabilité des moteurs à pistons est limitée en raison du temps nécessaire pour l'inflammation du mélange dans un cycle à allumage par compression, en particulier dans des conditions de faible pression et température,. Enfin, en raison d'un fort besoin de refroidissement., les performances des 5 moteurs à pistons sont pénalisées en altitude. Des solutions d'hybridation « thermique - thermique » consistant à entraîner mécaniquement le récepteur à la fois par une turbine à gaz et par un moteur à pistons, avec la possibilité de désactiver l'un des deux ont été proposées.

On cannait notamment un moteur comportant un moteur diesel et une turbine à gaz en parallèle entraînant chacun l'arbre récepteur, le moteur diesel étant alimenté par un compresseur de la turbine à gaz. Au contraire de l'hybridation électrique, les solutions d'hybridation « thermique - thermique » ne permettent pas de récupérer directement de l'énergie, mais visent à optimiser la consommation d'énergie sur tous les points de fonctionnement. En cela, elles sont particulièrement adaptées à des cycles d'utilisation présentant de fortes variations de charge, avec peu de phases de récupération d'énergie. Dans le cas de turbines à gaz à turbine libre, les solutions d'hybridation « thermique - thermique » connues présentent les limitations suivantes : - l'acyclisme du moteur à pistons doit être filtré pour ne pas exciter le récepteur (hélice, rotor, ...) ; - les régimes du moteur à pistons et du récepteur sont liés mécaniquement, ce qui peut nécessiter un système de découplage en cas d'applications multiturbines par exemple.

Des solutions d'hybridation « thermique - électrique » consistant à stocker l'énergie mécanique sous forme électrique ont également été proposées. Ces solutions permettent une plus grande souplesse vis-à-vis des points de fonctionnement, mais nécessitent le stockage de deux sources d'énergies différentes (stockées sous forme de batteries et de carburant par exemple) et ne sont généralement pas compétitives en terme de masse, même en comptant l'économie de carburant embarqué.

3033837 3 EXPOSE DE L'INVENTION L'invention permet de pallier au moins un des inconvénients précités en 5 proposant un groupe de puissance comportant un ensemble turbine à gaz et un ensemble moteur à pistons, l'ensemble turbine à gaz comportant : une chambre de combustion, un compresseur agencé pour comprimer l'air d'admission de la chambre de combustion ; 10 une turbine, un arbre primaire de turbine à gaz, l'ensemble moteur à pistons comportant un moteur à piston et un arbre moteur, le moteur à pistons étant adapté pour générer un couple et le transmettre à l'arbre moteur, 15 le groupe de puissance étant caractérisé en ce que la turbine comporte : une turbine haute-pression agencée pour être entrainée par les gaz d'échappement issus de la chambre de combustion et couplée à l'arbre primaire de turbine à gaz ; une turbine de puissance agencée pour être entraînée par les gaz 20 d'échappement issus de la turbine haute-pression, la turbine de puissance étant couplée à une charge ; et en ce que l'arbre moteur est mécaniquement couplé à l'arbre primaire de turbine à gaz entre le compresseur de turbine à gaz et la turbine haute-pression.

25 L'invention permet d'apporter un travail mécanique au compresseur de l'ensemble turbine à gaz, avec un rendement énergétique meilleur que si cette énergie avait été apportée par la turbine haute-pression seulement. Ceci est 30 particulièrement vrai lorsque la turbine haute-pression travaille à charge partielle, loin de son optimum de dimensionnement.

3033837 4 L'invention permet en outre d'entraîner l'ensemble turbine à gaz avec une consommation de carburant réduite, dans des phases de démarrage, de ralenti ou de ventilation de la turbine à gaz en phase avec maintien d'un flux d'air mais sans alimentation en carburant de la chambre. .

5 L'invention peut permettre d'utiliser la même source d'énergie sur les deux machines thermiques. L'invention permet de réaliser une surpuissance sur l'ensemble turbine à gaz avec une température de combustion bien inférieure à celle résultant d'une surpuissance générée par l'ensemble turbine à gaz seul, donc un endommagement 10 moindre sur la partie la plus critique de la turbine à gaz. On estime que le fait d'utiliser le moteur à pistons pour fournir une surpuissance plutôt que l'ensemble turbine à gaz seul permet un gain de température de combustion qui peut être supérieur à 50°C. Le moteur à pistons n'étant pas couplé mécaniquement à la charge, l'invention permet de ne pas communiquer les acyclismes du moteur à pistons au récepteur.

15 De plus, l'invention permet d'utiliser un moteur à pistons de puissance largement moindre que la turbine à gaz. De ce fait, le groupe de puissance selon l'invention n'est que peu pénalisé par les défauts inhérents au moteur à pistons à savoir la puissance massique, et le besoin de refroidissement notamment. Enfin, en cas de défaillance du moteur à pistons, le moteur à pistons peut être désaccouplé du 20 générateur de gaz si nécessaire afin de limiter le couple de frottement et de permettre à la turbine à gaz de retrouver un fonctionnement conventionnel. L'invention peut être complétée par une ou plusieurs des caractéristiques suivantes seule ou en combinaison.

25 L'ensemble moteur à pistons comporte : - un turbocompresseur qui comprend :un compresseur de turbocompresseur agencé pour comprimer l'air d'admission du moteur, une turbine de turbocompresseur agencée pour être entraînée par les gaz d'échappement 30 du moteur à pistons et un arbre de liaison mécanique reliant le compresseur de turbocompresseur et la turbine de turbocompresseur 3033837 5 - un échangeur en aval du compresseur. Le compresseur comporte un compresseur haute-pression et un compresseur basse-pression.

5 Le compresseur haute-pression et la turbine haute-pression sont couplés à un arbre primaire de turbine à gaz, l'arbre moteur du moteur à pistons étant couplé à l'arbre primaire. Le compresseur basse-pression et la turbine de puissance sont couplés à un arbre secondaire, tandis que le compresseur haute-pression et la turbine haute-10 pression sont couplés à un arbre primaire, le moteur à pistons étant couplé à l'arbre primaire. Le premier conduit de dérivation comporte une vanne de dérivation, configurée pour adapter la répartition de puissance entre la turbine haute-pression et la turbine 15 de puissance. Le premier conduit de dérivation comporte un distributeur à calage variable configuré pour adapter l'angle du flux entre la turbine haute-pression et la turbine de puissance. Lorsque le moteur à pistons fournit de la puissance sur l'arbre primaire pour 20 mettre le compresseur en rotation, la puissance nécessaire à la turbine haute-pression pour mettre en rotation le compresseur est réduite et une partie des gaz d'échappement peut être guidée directement sur la turbine de puissance via le circuit de dérivation pour fournir du couple à la charge. Par conséquent, le point de transition se trouve à un taux de détente correspondant à une pression plus élevée 25 et une plus grande partie du travail peut être récupérée par la charge. Le groupe de puissance comporte en outre un second circuit de dérivation et une seconde vanne de dérivation, adaptés pour dévier une partie du flux issu de la turbine haute-pression pour alimenter la turbine.

30 La turbine de turbocompresseur est agencée pour être entraînée par une partie des gaz d'échappement issus de la turbine haute-pression.

3033837 6 Le débit récupéré par le compresseur du turbocompresseur permet d'augmenter la pression de suralimentation du moteur à pistons. Ceci est particulièrement bénéfique par temps froid pour conserver des conditions d'inflammation suffisantes. Ceci peut aussi permettre une surpuissance du moteur à 5 pistons, ou d'adapter le point de fonctionnement de la turbine basse-pression de la turbine à gaz. DESCRIPTION DES FIGURES 10 D'autres objectifs, caractéristiques et avantages sortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif parmi lesquels : - la figure 1 est un moteur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; 15 - la figure 2 est un moteur conforme à un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un moteur conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente le cycle d'un turbomoteur classique et celui d'un moteur 20 selon l'invention sur un diagramme volume, pression ; - la figure 5 représente le cycle d'un moteur hybride classique comportant un moteur à pistons en parallèle d'une turbine à gaz et celui d'un moteur selon l'invention sur un diagramme de cycle thermodynamique (volume, pression). Sur les figures 1, 2 et 3, les traits en pointillés correspondent aux lignes 25 d'alimentation en carburant, les flèches en tirets correspondent aux flux de gaz et les traits pleins correspondent aux couples de forces. Sur les figures 4 et 5, le cycle en pointillés le cycle est le cycle d'un moteur hybride classique et le cycle en tirets est le cycle d'un moteur selon l'invention. Le travail d'un cycle d'un moteur hybride classique est représenté par la surface en 30 pointillés tandis que le travail d'un cycle d'un moteur selon l'invention est représenté par la surface hachurée. Les cercles représentent les points de transition d'un groupe 3033837 7 de puissance selon l'invention, les points représentent les points de transition d'un groupe de puissance hybride classique et les croix représentent les points de transition d'un groupe de puissance classique.

5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures 1 à 3, un groupe de puissance 1 comporte un ensemble turbine à gaz de combustion 20, un ensemble moteur à pistons 30.

10 Ensemble turbine à gaz 20 L'ensemble turbine à gaz 20 peut notamment être un turbopropulseur, un turbomoteur ou un groupe auxiliaire de puissance. L'ensemble turbine à gaz 20 comporte une chambre de combustion 21' un compresseur 22' une turbine 23, un arbre primaire 241 et un arbre secondaire 242.

15 L'ensemble turbine à gaz 20 est du type à turbine libre, c'est-à-dire que le générateur de gaz n'est pas mécaniquement couplé à la charge. La turbine 23 comporte une turbine haute-pression 231 agencée pour être entrainée par les gaz d'échappement issus de la chambre de combustion 21 et 20 connectée à l'arbre primaire 241 auquel est couplé le compresseur 22, et une turbine de puissance 232 (aussi appelée basse-pression) agencée pour être entraînée par les gaz d'échappement issus de la turbine haute-pression 231, la turbine de puissance 232 étant non couplée à l'arbre primaire 241 mais couplée à une charge 50 à travers l'arbre secondaire 242.

25 Le compresseur 22 est composé d'un compresseur haute-pression 221 et d'un compresseur basse-pression 222. Le compresseur 22 est accouplé à un arbre primaire 241. Le compresseur haute-pression 221 et le compresseur basse-pression 222peuvent notamment être des compresseurs axiaux ou centrifuges. Dans le cas 30 d'un compresseur axial, celui-ci est constitué d'une suite d'étages axiaux disposés en 3033837 8 série chacun comprenant un rotor ayant la forme d'une roue à aubes mobile et d'un stator à aubes redresseur. Le rotor est par exemple constitué d'un disque circulaire sur lequel sont fixées des aubes (ailettes) et tourne devant le stator à aubes redresseur.

5 Le rotor aspire et accélère le flux d'air d'admission en le déviant par rapport à l'axe du moteur. Le redresseur ou stator qui suit, redresse le flux dans l'axe et le ralentit en transformant une partie de sa vitesse en pression. Le rotor suivant réaccélère le flux d'air en le déviant à nouveau de l'axe du moteur. Le stator suivant va de nouveau redresser le flux le ralentir et transformer sa vitesse en pression.

10 Le carburant gazeux ou liquide est injecté dans la chambre de combustion 21 où il se mélange à l'air comprimé pour entretenir une combustion continue. Les gaz chauds se détendent en traversant la turbine 23, où l'énergie thermique et cinétique des gaz chauds est transformée en énergie mécanique.

15 La turbine à gaz 20 peut être à simple corps ou plusieurs corps. Dans le cas d'une turbine à gaz double corps (illustré par la figure 2), la turbine haute-pression 231 entraîne le compresseur haute-pression 221 et la turbine de puissance 232 entraîne le compresseur basse-pression 222 et le récepteur 50. La turbine 23 est typiquement constituée d'une succession d'aubages fixes 20 distributeurs, et d'aubages mobiles. Les gaz de combustion sont évacués vers l'atmosphère. Le mouvement de rotation de la turbine 231 est transmis à l'arbre primaire 241 qui actionne le compresseur 221 (sur la figure 2).

25 L'ensemble turbine à gaz 20 peut également être à simple corps (comme illustré par les figures 1 et 3). La turbine basse pression 232 et la charge 50 sont couplés à un arbre secondaire 242 de turbine à gaz. L'arbre moteur 34 du moteur à pistons 31 est couplé à l'arbre primaire 241 via la transmission 40. En référence à la figure 2, l'ensemble turbine à gaz 20 peut être à double corps.

30 Le compresseur basse-pression 222, la turbine de puissance 232 et la charge 50 sont couplés à l'arbre secondaire 242, tandis que le compresseur haute-pression 221 3033837 9 et la turbine haute-pression 231 sont couplés à un arbre primaire 241. Le moteur à pistons 31 est couplé à l'arbre primaire 241. Ensemble moteur à pistons 30 5 L'ensemble moteur à pistons 30 comporte un moteur à pistons 31 et un arbre moteur 34, le moteur à pistons 31 étant adapté pour générer un couple et le transmettre à l'arbre moteur 34. L'ensemble moteur à pistons 30 peut en outre comporter un turbocompresseur 32.

10 Le turbocompresseur 32 comprend classiquement un compresseur 321 de turbocompresseur agencé pour comprimer l'air d'admission du moteur, une turbine 322 de turbocompresseur agencée pour être entraînée par les gaz d'échappement du moteur à pistons 31, et un arbre de liaison mécanique 323 reliant le compresseur 321 de turbocompresseur et la turbine 322 de turbocompresseur. L'air issu du 15 compresseur 321 est ensuite injecté dans le moteur à pistons après passage par un échangeur 33. L'ensemble moteur à pistons 30 sera de préférence à cycle à allumage par compression, pour permettre l'utilisation du même carburant que la turbine, mais toutes les autres technologies de moteur peuvent être utilisées (moteur à allumage 20 commandé, moteur Wankel...). Pour des raisons de compacité et de masse, l'ensemble moteur à pistons 30 sera préférentiellement suralimenté. Dans le cas où l'ensemble moteur à pistons 30 est à cycle à allumage par compression à quatre temps, le moteur à pistons 31 comporte, par exemple, de manière connue en soit, au moins un conduit d'admission d'air, au moins une 25 soupape d'admission adaptée pour obturer le conduit d'admission, au moins un conduit d'échappement, au moins une soupape d'échappement adaptée pour obturer le conduit d'échappement, au moins un cylindre, au moins un piston adapté pour se déplacer dans l'axe du cylindre, une bielle reliant le piston à un vilebrequin. Le mouvement du piston dans le cylindre est converti en une rotation du 30 vilebrequin dans son carter via la bielle.

3033837 10 L'ensemble moteur à pistons 30 fonctionne typiquement selon un cycle quatre temps. Lors d'une phase d'admission, la soupape d'admission s'ouvre, le piston descend et pompe dans le cylindre une masse d'air comburant issue du conduit d'admission 5 d'air et comprimé dans le compresseur 321. Lors d'une phase de compression, la soupape d'admission est fermée puis le piston remonte et comprime l'air afin d'augmenter la quantité de travail produite. En fin de compression, une quantité dosée de carburant est injectée dans le cylindre. Lors d'une phase de combustion et de détente, les conditions de pression et de 10 températures permettent l'inflammation du carburant. La combustion exerce, par dilatation du mélange, une pression sur le piston. Le piston est donc repoussé, et les gaz brûlés se détendent. Lors d'une phase d'échappement, la soupape d'échappement est ouverte et le piston chasse les gaz brûlés, par le conduit d'échappement.

15 Charge 50 L'ensemble turbine à gaz 20 est couplé mécaniquement à une charge 50. La charge 50 est typiquement une hélice, un rotor ou une machine électrique.

20 Transmission 40 Le moteur à pistons 31 est relié mécaniquement à l'arbre primaire 241 de turbine à gaz. Le moteur à pistons 31 est suralimenté et apporte une puissance d'appoint sur l'arbre 241 à travers une transmission 40. Cette puissance d'appoint s'ajoute ou remplace partiellement la puissance récupérée par la turbine 231 et permet donc 25 d'augmenter la part de puissance récupérée sur la turbine 232. La transmission 40 a pour fonction d'adapter la vitesse de rotation du moteur à pistons 31 pour qu'elle soit compatible de celle de l'arbre primaire 241 de turbine à gaz, mais peut aussi permettre de lisser les variations de couple instantané et de désaccoupler les deux arbres si besoin, par exemple en pleine charge pour que 30 l'ensemble turbine à gaz 20 ne soit pas freiné par le couple de frottement du moteur à pistons 31.

3033 83 7 11 Système de gestion du carburant 11 Le moteur est alimenté par un réservoir 10 et comporte un système de gestion du carburant 11. Dans le cas où le carburant utilisé est le même pour les deux 5 machines, le groupe de puissance peut avantageusement comporter un unique réservoir 10 alimentant les deux ensembles 20 et 30, le dosage en carburant des deux ensembles 20 et 30 restant indépendants. Le système 11 permet de répartir et de doser indépendamment le débit de carburant dans les deux ensembles 20 et 30 en fonction de leur point de 10 fonctionnement. Notamment, on pourra privilégier le débit carburant dans le moteur à pistons 31 dans les phases de faible puissance. A pleine puissance, seul l'ensemble turbine à gaz 20 sera alimenté en carburant. Si une surpuissance ponctuelle est requise, le moteur à pistons 31 sera à nouveau utilisé pour apporter l'appoint de puissance requis sur l'ensemble turbine à gaz 20.

15 En référence à la figure 2, le moteur peut comporter un conduit de dérivation 41 qui permet de dériver tout ou partie du flux issu de la chambre de combustion 21 pour entrainer directement la turbine de puissance 232. Une vanne de dérivation 42 est avantageusement positionnée sur le conduit de 20 dérivation 41 et permet d'adapter la répartition de puissance entre les turbines haute- pression 232 et la turbine de puissance 231. A charge réduite, le moteur à pistons 31 entraîne l'arbre primaire 241, la turbine haute-pression 231 est court-circuitée et toute l'enthalpie des gaz d'échappement issus de la chambre de combustion de la turbine à gaz 21 sert à entraîner la turbine 25 de puissance 232, qui reçoit dans ce cas un surplus de puissance équivanlent à la puissance non prélevé par la turbine haute-pression 231. Cette fonction de répartition de puissance entre les turbines haute-pression 231 et de puissance 232 peut aussi être assurée par un distributeur à calage variable 47.

30 Le distributeur à calage variable 47 peut être utilisé en complément ou en remplacement de la vanne de dérivation 42.

3033837 12 Le distributeur à calage variable 47 est déjà dans le flux et permet d'adapter l'angle du flux, tandis que la vanne de dérivation 42 dérive le flux vers le conduit de dérivation 41. La figure 3 illustre une autre variante de réalisation où l'ensemble 20 permet 5 l'entraînement du compresseur 321 du turbocompresseur par une dérivation du débit de la turbine 231 vers la turbine 322 du turbocompresseur. Une partie du flux issu de la turbine haute-pression 231 est dévié pour alimenter la turbine 322 du turbocompresseur. A cet effet, le groupe de puissance 1 comporte un second circuit de dérivation 43 adapté pour dévier une partie du flux issu de la 10 turbine haute-pression 231 pour alimenter la turbine 322. Le moteur comporte avantageusement une seconde vanne de dérivation 44 pour réguler la quantité d'air dérivée vers la turbine 322. Le débit d'une turbine à gaz 20 étant nettement supérieur à celui du moteur à pistons 31, il est possible de dériver une partie de son flux avec un impact limité sur 15 son fonctionnement. Ce débit récupéré par la turbine 322 du turbocompresseur permet d'augmenter, via le compresseur 321,Ia pression de suralimentation du moteur à pistons 31. Ceci est bénéfique par temps froid pour atteindre des conditions d'inflammation satisfaisantes (assistance au démarrage ou à faible charge). Ceci peut aussi 20 permettre une surpuissance du moteur à pistons, ou une adaptation du point de fonctionnement de la turbine basse-pression 232 de la turbine à gaz. Cette variante de réalisation permet en outre d'améliorer le temps de réponse du moteur à pistons 31 en adaptant le point de fonctionnement de la turbine à gaz 20 par dérivation du débit d'air.

25 L'entraînement de l'ensemble turbine à gaz 20 par un ensemble moteur à pistons 30 permet d'apporter un travail mécanique au compresseur 22 de l'ensemble turbine à gaz 20, avec un rendement énergétique meilleur que si cette énergie avait été apportée par la turbine haute-pression seulement. Ceci est particulièrement vrai 30 lorsque la turbine travaille à charge partielle, loin de son optimum de dimensionnement.

3033837 13 L'entraînement de l'ensemble turbine à gaz 20 par un ensemble moteur à pistons 30 permet également d'entraîner la turbine à gaz 20 avec une consommation de carburant réduite, dans des phases de démarrage, de ralenti ou de ventilation de la turbine à gaz en phase de maintien d'un flux d'air mais sans alimentation en 5 carburant de la chambre.. Cela permet également de réaliser une surpuissance sur la turbine à gaz 20 avec une température de combustion bien inférieure à celle de la turbine à gaz utilisée seule, donc un endommagement moindre sur la partie la plus critique de la turbine à gaz.

10 Cela permet également de conserver un seul arbre de transmission entre la turbine à gaz et le récepteur 50 et de ne pas communiquer les acyclismes du moteur à pistons 31 au récepteur 50. L'ensemble moteur à pistons 30 est avantageusement de puissance inférieure 15 à l'ensemble 20 de manière à ce que le groupe de puissance 1 ne soit pas trop pénalisé par les défauts inhérents à un ensemble moteur à pistons 30 (à savoir sa puissance massique et son besoin de refroidissement). En cas de défaillance de l'ensemble moteur à pistons 30, l'ensemble 20 peut retrouver un cycle de fonctionnement conventionnel. L'ensemble moteur à pistons 30 20 peut être désaccouplé de l'ensemble 20 si nécessaire afin de limiter le couple de frottement. La figure 4 représente le cycle d'une turbine à gaz classique et celui d'un groupe de puissance selon l'invention sur un diagramme volume massique, pression.

25 Le travail d'un cycle d'une turbine à gaz conventionnelle est représenté par la surface en pointillés tandis que le travail d'un cycle d'un groupe de puissance selon l'invention est représenté par la surface hachurée. Comme on peut le voir, une turbine à gaz sans appoint du moteur à pistons a besoin de fournir un débit et un taux de compression supérieur pour fournir un même 30 travail. Sa température à l'entrée de la turbine est également plus élevée (de 50°C dans le cycle représenté) et son rendement moins bon (de 9%).

3033837 14 L'utilisation du moteur à pistons 31 pour l'entraînement du compresseur 22, offre un gain de rendement en particulier sur un point de charge intermédiaire. En revanche, le taux de compression inférieur et la température réduite en amont de la turbine limite le gain de rendement possible.

5 La figure 5 représente le cycle d'un moteur hybride classique comportant un moteur à pistons en parallèle d'une turbine à gaz et celui d'un groupe de puissance 1 selon l'invention sur un diagramme volume massique, pression. Le travail d'un cycle d'un moteur hybride classique est représenté par la 10 surface en pointillés tandis que le travail d'un cycle d'un moteur selon l'invention est représenté par la surface hachurée. En référence aux figures 4 et 5, le cycle d'un groupe de puissance 1 selon l'invention comporte les cinq phases suivantes : 1-2 : admission et compression d'air par le compresseur ; 15 2-3: apport de chaleur par combustion ; 3-4 : détente dans la turbine haute-pression 231 entrainant le compresseur 22 4-5: détente de la turbine de puissance 232 entrainant la charge 50; 5-1 : rejet des gaz brulés dans l'atmosphère.

20 Le cycle d'un moteur hybride classique et le cycle d'un groupe de puissance 1 selon l'invention permettent virtuellement la même puissance. La position du point de transition 4 dépend de la balance des puissances entre la turbine à gaz et le moteur à pistons (contrôlée via les débits carburants).

25 Dans un mode de réalisation de l'invention, il est possible d'adapter le point de fonctionnement de chaque étage de turbine et donc le point de transition 4 grâce à la première vanne de dérivation 42 ou au distributeur à calage variable. Le point de transition d'un moteur hybride classique est noté 4' sur la figure 5, et le point de transition d'un groupe de puissance selon l'invention est noté 4.

30 Lorsque le moteur à pistons 31 fournit de la puissance sur l'arbre 241 pour mettre le compresseur 22 en rotation, la puissance nécessaire à la turbine 231 haute- 3033837 15 pression pour mettre en rotation le compresseur 22 est réduite et une partie des gaz d'échappement peut être guidée directement sur la turbine 232 de puissance via le circuit de dérivation 41 pour fournir du couple à la charge 50. Autrement dit, le point de transition 4 se trouve à un taux de détente correspondant à une pression P plus 5 élevée et une plus grande partie du travail peut être récupérée par la charge 50. Dans le cas d'une hybridation classique, la puissance du moteur à pistons 31 est directement envoyée sur le récepteur 50. Par conséquent, moins d'énergie est récupérée sur la turbine de puissance 232. La turbine 231 haute-pression est la seule à entraîner le compresseur 22 donc elle doit prélever plus de travail dans le cycle.

10 Par conséquent, le point de transition 4' se trouve à un taux de détente correspondant à une pression P' plus faible et une plus faible partie du travail de la turbine à gaz est récupérée par la charge 50. 15

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Groupe de puissance (1) comportant un ensemble turbine à gaz (20) et un ensemble moteur à pistons (30), l'ensemble turbine à gaz (20) comportant : - une chambre de combustion (21), - un compresseur (22) agencé pour comprimer l'air d'admission de la chambre de combustion (21) ; une turbine (23), - un arbre primaire de turbine à gaz (241), io l'ensemble moteur à pistons (30) comportant un moteur à pistons (31) et un arbre moteur (34), le moteur à pistons (31) étant adapté pour générer un couple et le transmettre à l'arbre moteur (34), le groupe de puissance (1) étant caractérisé en ce que la turbine (23) comporte : 15 une turbine haute-pression (231) agencée pour être entrainée par les gaz d'échappement issus de la chambre de combustion (21), la turbine haute-pression (231) étant couplée à l'arbre primaire de turbine à gaz (241) ; une turbine de puissance (232) agencée pour être entraînée par les gaz d'échappement issus de la turbine haute-pression (231), la turbine de 20 puissance (232) étant couplée à une charge (50) ; et en ce que l'arbre moteur (34) est mécaniquement couplé à l'arbre primaire de turbine à gaz (241) entre le compresseur de turbine à gaz (22) et la turbine haute-pression (231). 25
2. 2. Groupe de puissance (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur (22) comporte un compresseur haute-pression (221) et un compresseur basse-pression (222). 30
3. 3. Groupe de puissance (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le compresseur haute-pression (221) et la turbine haute-pression 3033837 17 (231) sont couplés à un arbre primaire (241) de turbine à gaz, l'arbre moteur (34) du moteur à pistons (31) étant couplé à l'arbre primaire (241).
4. 4. Groupe de puissance (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le 5 compresseur basse-pression (222) et la turbine de puissance (232) sont couplés à un arbre secondaire (242), tandis que le compresseur haute-pression (221) et la turbine haute-pression (231) sont couplés à un arbre primaire (241), le moteur à pistons (3) étant couplé à l'arbre primaire (241).
5. 5. Groupe de puissance (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur comporte en outre un premier conduit de dérivation (41) adapté pour dériver tout ou partie du flux issu de la chambre de combustion (21) de manière à entrainer directement la turbine de puissance (232).
6. 6. Groupe de puissance (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier conduit de dérivation (41) comporte une vanne de dérivation (42), configurée pour adapter la répartition de puissance entre la turbine haute-pression (232) et la turbine de puissance (231).
7. 7. Groupe de puissance (1) selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le premier conduit de dérivation (41) comporte un distributeur à calage variable (47) configuré pour adapter l'angle du flux entre la turbine haute-pression (232) et la turbine de puissance (231).
8. 8. Groupe de puissance (1) selon l'une des revendications précédentes, l'ensemble moteur à pistons (30) comportant : - un turbocompresseur (32) qui comprend :un compresseur (321) de turbocompresseur agencé pour comprimer l'air d'admission du moteur, une turbine (322) de turbocompresseur agencée pour être entraînée par les gaz 3033837 18 d'échappement du moteur à pistons (31) et un arbre de liaison mécanique (323) reliant le compresseur (321) de turbocompresseur et la turbine (322) de turbocompresseur ; - un échangeur (33) en aval du compresseur (32).
9. 9. Groupe de puissance (1) selon la revendication précédente, comportant en outre un second circuit de dérivation (43) et une seconde vanne de dérivation (44), adaptés pour dévier une partie du flux issu de la turbine haute-pression (231) pour alimenter la turbine (322).
10. 10. Groupe de puissance (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la turbine (322) de turbocompresseur (32) est agencée pour être entraînée par une partie des gaz d'échappement issus de la turbine haute-pression (231).