FR3044714A1 - Generateur hybride de puissance ou de poussee et vehicule comportant un tel generateur - Google Patents

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Abstract

Le générateur hybride (100) de puissance ou de poussée comporte au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) et au moins un générateur électrique de puissance (40). Un générateur électrique de puissance (40) est connecté électriquement à au moins un moteur électrique (30), couplé mécaniquement en rotation à une ou plusieurs parties tournantes (21, 22, 24) du moteur thermodynamique à turbine lorsque ledit au moins un moteur thermodynamique à turbine est en fonctionnement. Le générateur électrique de puissance (40) peut comporter un moteur thermoacoustique (50) entraînant un alternateur électrique linéaire (53). Le générateur est avantageusement mis en œuvre dans un véhicule, par exemple un avion (15).

Description

GENERATEUR HYBRIDE DE PUISSANCE OU DE POUSSEE ET VEHICULE COMPORTANT UN TEL GENERATEUR
DOMAINE DE L'INVENTION L’invention appartient au domaine de La génération de puissance ou de poussée.
Plus particulièrement l’invention concerne un générateur de puissance ou de poussée hybride combinant sur un générateur l'usage de carburants hydrocarbures et de l'électricité dans la génération de la puissance ou de la poussée.
Plus particulièrement l'invention concerne un générateur hybride adapté à des applications embarquées dans lesquelles les critères de rendement, de masse et de fiabilité sont particulièrement critiques, comme par exemple pour les aéronefs.
ÉTAT DE L'ART
La génération de puissance ou de poussée, en particulier dans le domaine des applications embarquées, utilise le plus souvent des machines thermiques à cycle de Carnot mettant en oeuvre comme source d'énergie la chaleur résultant de la combustion de carburants fossiles, tels que kérosène dans le cas des aéronefs.
La prise de conscience de l'épuisement progressif des carburants fossiles et aussi de leurs effets néfastes sur l'environnement conduit aujourd'hui les concepteurs des générateurs de puissance pour les applications embarquées à rechercher des solutions basées sur l'utilisation de l'énergie électrique.
Si l'utilisation de l'énergie électrique sur des machines fixes au sol ne pose pas de problème particulier du fait d'une alimentation en énergie électrique par des câbles conducteurs dont les longueurs et les masses ne sont pas des contraintes techniquement et économiquement insurmontables, les difficultés sont d'un autre ordre de grandeur sur les applications embarquées. Déjà pour les véhicules de surface, la propulsion électrique se heurte aux limites actuelles des capacités de stockage en énergie électrique sur un véhicule ce qui, indépendamment du coût des batteries ou autres moyens de stockage, en limite drastiquement l'autonomie ou le rayon d'action.
La solution proposée aujourd'hui pour augmenter l'autonomie des véhicules terrestres électriques est de doubler, sur ces véhicules, la chaîne de propulsion électrique par une chaîne de propulsion conventionnelle à moteur thermique utilisant des carburants fossiles. Cette solution d'hybridation n'est évidemment pas satisfaisante puisque dans la recherche d'une simplification par la propulsion électrique on arrive à une architecture de propulsion beaucoup plus complexe, plus lourde et plus chère, et qui finalement consomme des carburants fossiles dès que l'autonomie électrique est dépassée, voire pour recharger les accumulateurs électriques.
Pour les applications aériennes la solution de la propulsion électrique est également envisagée, mais les contraintes s'avèrent encore plus sévères que pour les véhicules de surface.
En particulier la masse du système de propulsion, sa sécurité de fonctionnement et sa fiabilité sont des critères de dimensionnement essentiels à prendre en compte.
Pour illustrer les difficultés auxquelles sont exposés les concepteurs d'aéronef à propulsion électrique, il peut être pris le cas d'un avion de transport de passagers moderne de dimensions moyennes, par exemple un moyen courrier biréacteur de masse au décollage 80000Kg et transportant entre 150 et 200 passagers à un nombre de mach de 0,78 en croisière, par exemple un Airbus A320 ®.
Pour assurer la propulsion d'un tel avion il convient de disposer d'une puissance de 30 MW, ce qui se traduit par exemple par des courants électriques de 3 kA sous une tension de 10 kV. La génération et le transport de tels courants électriques dans la structure d'un avion transportant des passagers n'est évidemment pas sans poser de problèmes de complexité technique, de masse et de sécurité qui ne sont pas résolus par l'utilisation de supraconducteurs devant être maintenus dans des conditions de températures strictes.
Il doit également être assuré le stockage à bord de l'avion de l'énergie qui peut être réalisé avec des batteries d'accumulateurs, ou qui peut être réalisé sous forme d'hydrogène pour alimenter des piles à combustibles. Cependant les technologies actuelles ne permettent pas avec une masse et une fiabilité acceptables de stocker l'énergie nécessaire avec les contraintes de sécurité imposées pour un vol commercial.
Ainsi, en particulier pour les applications embarquées, au moins tant que les technologies nécessaires pour assurer une propulsion totalement électrique ne seront pas disponibles, il existe aujourd'hui un besoin de développer des solutions de génération hybrides pour palier aux insuffisances des systèmes de propulsion électriques, et sans que ces solutions hybrides ne se traduisent par une accumulation des inconvénients des deux modes thermique et électrique mis en oeuvre.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention apporte une solution aux problèmes de l'art antérieur au moyen d'un générateur hybride de puissance ou de poussée combinant un moteur à turbine conventionnelle alimenté par un carburant en phase liquide ou gazeuse et un générateur électrique de puissance apportant une énergie à un moteur électrique couplée mécaniquement au moteur à turbine.
Suivant l'invention un générateur hybride de puissance ou de poussée comporte au moins un moteur thermodynamique à turbine et au moins un générateur électrique de puissance.
Le ou les générateurs électriques de puissance sont connectés électriquement au ou aux moteurs électriques, et chaque moteur électrique est couplé mécaniquement en rotation à au moins une partie tournante d'un moteur thermodynamique à turbine lorsque ce moteur thermodynamique à turbine est en fonctionnement.
Il est ainsi dans le générateur hybride apporté une énergie introduite sous forme mécanique qui s'ajoute directement à la puissance du moteur thermodynamique, cette puissance mécanique ayant une origine électrique qui peut être déportée et plus aisément modulable.
Dans une forme de réalisation, le ou les générateurs électriques de puissance, au moins l'un d'entre eux, comporte au moins un moteur thermoacoustique entraînant un alternateur électrique linéaire. Il est de la sorte généré une puissance électrique qui peut être produite par la combustion d'un carburant, ou une autre source de chaleur, au moyen d'un moteur silencieux et fiable car ne comportant pas de parties mobiles autre que les pistons et noyaux associés à un moteur électrique linéaire pour générer une onde acoustique dans le moteur thermoacoustique et associés à un alternateur électrique linéaire pour générer l'énergie électrique à partir de l'onde acoustique amplifiée dans le moteur thermoacoustique.
Dans une forme de réalisation, au moins une source froide d'un moteur thermoacoustique met en oeuvre un carburant également utilisé par les moteurs thermodynamiques à turbine, et ou utilisé par les moteurs thermoacoustiques.
Dans une forme particulière de réalisation, le carburant est un carburant cryogénique stocké à l'état liquide à température inférieure à 120 K, par exemple du méthane liquide cryogénique.
Ainsi, il est obtenu une source froide de caractéristique sensiblement constante et qui dans le cas d'un carburant cryogénique permet d'augmenter le rendement du moteur thermoacoustique en abaissant plus la température de la source froide. En plus le carburant initialement à l'état liquide peut être amené à l'état gazeux, ou à une température proche de sa gazéification, par la chaleur qui lui est apportée dans le ou les échangeurs froids du ou des moteurs thermoacoustiques ce qui simplifie son injection dans des brûleurs et favorise une combustion complète.
Dans une forme de réalisation, au moins une source chaude d'au moins un moteur thermoacoustique utilise, pour au moins une partie de la quantité de chaleur apportée à un ou des échangeurs thermiques chauds dudit moteur thermoacoustique, la combustion d'un carburant également utilisé pour alimenter le ou les moteurs thermodynamiques à turbine. De la sorte il n'est nécessaire de disposer que d'un seul type de carburant pour alimenter le générateur hybride.
Dans une forme de réalisation, au moins une source chaude d'au moins un moteur thermoacoustique utilise, pour au moins une partie de la quantité de chaleur apportée à un ou des échangeurs thermiques chauds du moteur thermoacoustique considéré, une quantité de chaleur prélevée sur un ou des moteurs thermodynamiques à turbine au niveau d'une chambre de combustion (23) et ou d'étages de turbine (222, 212) des moteurs considérés. Ainsi il est tiré avantage d'une quantité de chaleur produite par le ou les moteurs thermodynamiques à turbine pour produire de l'énergie électrique sans qu'il soit nécessaire d'installer sur les moteurs thermodynamiques à turbine des générateurs électriques spécifiques.
Dans une forme de réalisation, le générateur électrique de puissance est dimensionné pour délivrer une puissance électrique égale ou supérieure à 10% d'une puissance thermodynamique d'un régime de fonctionnement continu en service d'au moins un moteur thermodynamique à turbine du générateur hybride.
Avantageusement, le générateur électrique de puissance est également dimensionné pour délivrer une puissance électrique inférieure ou égale à une puissance thermodynamique d'un régime de fonctionnement continu en service d'au moins un moteur thermodynamique à turbine du générateur.
Ainsi, au moins dans les domaines d'utilisation continue du générateur hybride, par exemple un régime de croisière d'un véhicule utilisant le générateur hybride comme moyen de propulsion, la part de la puissance électrique apportée est significative sans se substituer à la part de la puissance apportée par le moteur thermodynamique à turbine qui reste prépondérante et évite une taille trop importante du générateur thermoacoustique. En particulier, lorsque la propulsion d'un véhicule, un avion par exemple, est réalisée par réaction, le ou les moteurs thermodynamiques à turbine étant utilisés comme réacteurs, ces derniers devront avoir des dimensions minimales pour générer le flux nécessaire à la propulsion qu'une augmentation de l'apport électrique par la source électrique de puissance ne permettront pas de réduire efficacement notamment sur le plan du rendement propulsif.
Dans une forme de réalisation, les moteurs thermodynamiques à turbine, au moins un, sont agencés en turboréacteur. Dans cette forme il est possible de mettre en oeuvre le générateur hybride sur des avions à réaction sans qu'il soit nécessaire de remettre en cause les architectures des avions à réaction connus. L'invention concerne également un véhicule comportant au moins un générateur hybride tel que décrit ci-dessus et mis en oeuvre comme dispositif de propulsion principal. Le véhicule tire ainsi avantage des bénéfices exposés du générateur hybride de l'invention.
Dans une forme de réalisation, au moins un générateur électrique de puissance de l'au moins un générateur hybride est mis en oeuvre comme une source d'énergie électrique principale de servitudes dudit véhicule. Il est ainsi possible de supprimer lors de la conception du véhicule les groupes auxiliaires de puissance ainsi que les générations électriques couplées mécaniquement aux moteurs thermodynamiques à turbine, solution sans inconvénient du fait que le fonctionnement autonome de la source électrique de puissance est possible sans mettre en oeuvre le moteur thermodynamique à turbine.
Dans une forme de réalisation, le véhicule comporte au moins deux générateurs hybrides, et au moins un générateur électrique de puissance de chacun desdits générateurs hybrides peut être, par des reconfigurations d'un système de distribution de l'énergie électrique produite par lesdits générateurs électriques de puissance, commuté en utilisation vers l'un ou l'autre des moteurs thermodynamiques à turbines de chacun desdits générateurs hybrides, la commutation affectant tout ou partie de la puissance électrique.
Il peut de la sorte être pallié à des configurations de pannes en partageant l'énergie électrique d'un générateur électrique de puissance entre deux ou plusieurs moteur thermodynamique à turbine (défaillance d'un générateur électrique de puissance), ou en apportant l'énergie électrique de deux générateurs électriques de puissance à un moteur thermodynamique à turbine (défaillance d'un moteur thermodynamique), et d'une manière générale de partager l'énergie électrique produite par l'ensemble des générateurs électriques fonctionnels entre l'ensemble des moteurs thermodynamiques à turbine fonctionnels. L'invention s'applique en particulier au cas d'un aéronef, par exemple un hélicoptère ou un avion.
Dans une forme de réalisation, le générateur de puissance électrique de chacun des générateurs hybrides comporte un moteur thermoacoustique installé dans un fuselage (16) de l'aéronef.
La forme allongée du fuselage se prête bien dans ce cas à la forme cylindrique du moteur thermoacoustique et dont le fonctionnement continu dans une relative proximité des passagers est compatible avec son fonctionnement intrinsèquement silencieux.
PRESENTATION DES FIGURES
La description et les dessins d'un exemple de réalisation et de mise en œuvre de l’invention, permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l’invention. Il est clair que cette description est donnée à titre d’exemple, et n’a pas de caractère limitatif.
Dans les dessins : - la figure 1 illustre un avion biréacteur du type moyen courrier comportant deux générateurs hybrides montés en turboréacteurs, le détail (a) de la figure illustrant un schéma de générateur hybride ; - la figure 2 représente schématiquement un exemple de générateur électrique thermoacoustique adapté à la source électrique de puissance.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION
Sur les dessins des parties représentant des éléments ayant la même fonction, même de formes différentes, sont identifiées par la même référence.
Les éléments représentés sur les différentes figures et les différents éléments d'une même figure sont des représentations schématiques et ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle.
En particulier des éléments de détails considérés comme utiles ou importants dans le cadre de l'invention sont au besoin fortement agrandis par rapport aux autres éléments dessinés pour la clarté des illustrations.
La figure 1 présente schématiquement une forme de réalisation d'un générateur hybride 100, détail (a) de la figure 1, suivant l'invention et dont un exemple est décrit de manière détaillée en référence, non limitative, à une application à la propulsion d'un avion 15 par turboréacteurs.
Dans l'exemple de la figure 1, il est pris le cas de l'application à un moteur thermodynamique à turbine 20.
Le moteur thermodynamique à turbine 20 schématisé sur la figure 1 est celui d'un réacteur à double corps et double flux. Ces caractéristiques qui sont avantageuses dans le contexte de la recherche d'un rendement propulsif global d'un avion civil subsonique ne sont cependant pas indispensables à la mise en oeuvre d'une architecture de générateur suivant l'invention, comme il sera compris de la suite de la description.
Le moteur thermodynamique à turbine 20 schématisé comporte de manière conventionnelle : - un corps tournant haute pression 22 comportant lui-même un compresseur haute pression 221 entraîné en rotation par une turbine haute pression 222 ; -un corps tournant basse pression 21 comportant lui-même un compresseur basse pression 211 entraîné en rotation par une turbine basse pression 212 ; - une chambre de combustion 23 située entre une zone de compresseurs et une zone de turbines pour apporter, par la combustion d'un carburant avec l'oxygène de l'air, l'énergie nécessaire aux turbines pour entraîner les compresseurs et pour produire une puissance ou, comme ici, une poussée utilisable ; - un compresseur de grand diamètre 24 entraîné en rotation par le corps tournant basse pression, le cas échéant par l'intermédiaire d'un réducteur mécanique 25.
Il doit être noté que le rendement thermodynamique d'une telle machine dépend du rendement de la compression réalisée par les étages de compresseur 211,221 pour laquelle une température T1 du gaz en entrée de compresseur doit être la plus basse possible pour améliorer le rendement de compression et dépend du rendement de la détente réalisée par les étages de turbine 222, 212 qui au contraire requièrent une température T4 du gaz, réchauffé dans la chambre de combustion 23, en entrée de turbine, aussi élevée que possible pour améliorer le rendement de la détente.
Le générateur de la figure 1 comporte également un moteur électrique 30 agencé couplé en rotation à au moins un des corps tournant, et ou à l'étage du compresseur de grand diamètre 24, par exemple par l'intermédiaire du réducteur 25.
Suivant cet agencement, il est apporté de l'énergie sous forme mécanique à au moins un des ensembles tournant ce qui conduit, par une réduction de la puissance prélevée sur la ou les turbines concernées pour apporter l'énergie nécessaire aux compresseurs, à disposer d'une énergie utilisable du générateur 100 augmentée par rapport au fonctionnement du seul moteur thermodynamique à turbine.
Afin de fournir l'énergie électrique nécessaire au moteur électrique 30, le générateur 100 comporte au moins une source de puissance électrique 40.
Il doit être remarqué que suivant cet agencement du générateur hybride 100 en comparaison des solutions totalement électriques ou des solutions hybrides existantes, le fonctionnement du moteur thermodynamique à turbine 20 et celui du moteur électrique 30 sont simultanés, et non pas alternatifs, ce qui a pour effet de diminuer la puissance nécessaire de chacune des deux sources de génération de puissance que sont ledit moteur thermodynamique et le générateur électrique de puissance 40.
Cette simultanéité de fonctionnement permet ainsi de réduire la masse et les dimensions de chacun du moteur thermodynamique et du moteur électrique, et ceci sans nécessairement abandonner la possibilité d'un fonctionnement alternatif de chacun du moteur thermodynamique et du moteur électrique comme seul moyen de production de puissance ou de poussée, que ce fonctionnement alternatif soit mis en œuvre dans une configuration normale ou dans une configuration dégradée en cas de panne sur un des moteurs thermodynamiques ou moteurs électriques.
La ou les sources de puissance électrique 40 peuvent être de toute nature, en particulier des sources dans lesquelles l'énergie électrique est stockée dans des batteries d'accumulateurs électriques ou dans des super-condensateurs ou consister en des générateurs électriques comme par exemple les groupes auxiliaires de puissances connus sur les avions.
Toutefois la mise en œuvre de telles sources de puissance électrique, possible dans l'invention, reste contraignante en raison des limitations actuelles pour les sources de stockage de l'énergie électrique, limitations déjà exposées précédemment, et d'un rendement énergétique défavorable des groupes auxiliaires de puissance conventionnels qui utilisent un carburant du même type que celui utilisé pour le moteur thermodynamique à turbine 20.
Avantageusement le générateur 100 de l'invention comporte au moins une source électrique de puissance 40 comportant un générateur thermoacoustique 50, dont un exemple est illustré schématiquement sur la figure 2.
Les moteurs thermoacoustiques sont connus. Leur fonctionnement est basé sur le cycle thermodynamique d'un fluide en milieu fermé des moteurs Stirling, mais dans lequel le déplacement du fluide assurant les transports d'énergie calorifique est assuré par des ondes acoustiques au lieu de pistons mécaniques conventionnels. Le fonctionnement d'un tel moteur thermoacoustique est décrit par exemple dans la demande de brevet français publiée sous le numéro FR 2971552.
Dans le cas du générateur thermoacoustique 50 de l'invention, le cycle thermodynamique est réalisé dans une chambre 51 comportant à une première extrémité un piston d'excitation 54 générant une onde acoustique initiale et comportant à une seconde extrémité un piston moteur 55 déplacé par l'onde acoustique amplifiée, lequel piston moteur actionne un alternateur électrique linéaire 53.
Le générateur thermoacoustique 50 comporte au moins une cellule comportant, de manière connue dans les moteurs thermoacoustiques, un échangeur thermique froid 56a, 56b qui transfère de la chaleur Q- vers une source froide 60, un échangeur thermique chaud 57a, 57b qui prend de la chaleur Q+ depuis une source chaude 70 et un étage régénérateur situé entre les échangeurs thermiques froid et chaud.
Le générateur thermoacoustique 50 peut comporter plusieurs cellules agencées entre la première extrémité et la seconde extrémité de la chambre 51, et peut mettre en œuvre une ou plusieurs sources froides et ou une ou plusieurs sources chaudes. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, la chambre 51 comporte deux cellules et le piston d'excitation 54 est actionné par un moteur électrique linéaire 52 alimenté en puissance par une boucle de rétroaction électrique 58 formée entre l'alternateur électrique linéaire 53 et ledit moteur électrique linéaire, la puissance électrique produite par le dit alternateur électrique linéaire étant partagé entre une puissance utile WU délivrée et une puissance retour WR vers ladite boucle de rétroaction électrique.
La mise en oeuvre du générateur thermoacoustique 50 comme source d'apport d'énergie électrique dans le générateur 100 présente plusieurs avantages.
Un générateur thermoacoustique 50 permet de produire une puissance électrique avec un meilleur rendement qu'une turbomachine du fait qu'en absence de pièces mobiles dans les parties chaudes, les températures mises en oeuvre dans l'échangeur thermique chaud 57a, 57b peuvent atteindre des valeurs beaucoup plus élevées que dans le cas d'une turbine et ainsi atteindre des rendements thermodynamiques supérieurs à 70% pour un rendement global supérieurs à 50% (en prenant en compte le rendement des alternateurs) lorsque les rendements obtenus par des turbines de réacteurs atteigne difficilement 40%.
En outre le fonctionnement du générateur thermoacoustique 50 est silencieux.
Le générateur thermoacoustique 50 est insensible à la valeur de la pression atmosphérique et il délivre donc une puissance indépendante de l'altitude.
La fiabilité d'un générateur thermoacoustique peut, en raison de l'absence de pièces en mouvement hors les mouvements linéaires des pistons du moteur et de l'alternateur électrique, dépasser 20 OOOh de MTBF, ce qui en fait un élément disruptif dans la chaîne de propulsion.
La source chaude 70 peut mettre en oeuvre la combustion du même carburant que le réacteur 20, lequel carburant peut être utilisé comme source froide avant d'être brûlé par le générateur thermoacoustique et ou par le moteur thermodynamique à turbine.
Dans l'exemple exposé précédemment d'un avion moyen courrier de 80000kg de masse au décollage, il est avantageusement utilisé un générateur thermoacoustique 50 délivrant une puissance électrique 500 kW.
Une telle puissance peut apparaître faible devant la puissance développée par les réacteurs d'un tel avion délivrant chacun une poussée au décollage de l'ordre 1500 kN équivalent à environ 20000 kW, mais cette puissance ne concerne que la valeur maximale de la poussée qui n'est mise en œuvre par les avions que pour des phases de décollage ou de remise de gaz.
Lorsqu'un avion est en croisière, en raison de sa vitesse et son altitude, les poussées/puissances utilisées effectivement sont très inférieures à celle du décollage. A seulement 10000 m d'altitude, la pression atmosphérique est divisée par environ un facteur quatre et la poussée du réacteur est réduite, conduisant dans l'exemple précité à un équivalent puissance de l'ordre de 3000 kW .
Dans ces conditions opératoires, la puissance pouvant être apportée au moteur thermodynamique à turbine 20 par le générateur thermoacoustique 50 n'est pas négligeable puisqu'elle en représente plus de 10%, 15% environ, sur laquelle proportion le générateur hybride 100 bénéficie du gain de rendement de l'ensemble générateur thermoacoustique 50 et moteur électrique 30.
De manière avantageuse, le générateur thermoacoustique 50 sera conçu pour délivrer une puissance utile égale ou inférieure à 50 % de la puissance du générateur hybride 100 dans un régime de fonctionnement continu du moteur thermodynamique à turbine 20.
Il est de la sorte évité un surdimensionnement du générateur thermoacoustique 50 au profit d'une répartition possible de la puissance totale attendue dudit générateur entre ledit générateur thermoacoustique et le moteur thermodynamique à turbine 20, la dite répartition étant par exemple gérée par un calculateur de gestion de la puissance ou de la poussée.
Le bénéfice du générateur hybride 100 est augmenté du fait que, dans un processus de dimensionnement dudit générateur hybride, la puissance affectée au moteur thermodynamique à turbine 20 est diminuée, par rapport à celle d'un réacteur comme générateur unique, de celle produite par la source électrique de puissance 40, ce qui conduit à diminuer la taille et la masse du réacteur et à augmenter en conséquence sa fiabilité par une moindre sollicitation.
Par ailleurs, le moteur thermoacoustique 50 peut être mis en œuvre comme source d'électricité embarquée indépendante. De ce fait elle est en mesure de se substituer aux groupes auxiliaires de puissance des avions et qui servent notamment à démarrer les moteurs au sol en fournissant de l'air comprimé, au moins pour les réacteurs de plus de 1000 kN de poussée au décollage, et à fournir de l'électricité à l'avion lorsque les moteurs sont à l'arrêt. La mise en œuvre du générateur hybride 100 permet donc d'éviter l'installation des groupes auxiliaires de puissance conventionnels. Cela augmente aussi et de manière importante la fiabilité globale de l'avion.
Lorsque le moteur thermoacoustique 50 est utilisé comme source indépendante d'énergie électrique, il présente la supériorité de ne pas être une source de nuisances sonores comme le sont les groupes auxiliaires de puissance à turbines.
En outre, du fait même de l'architecture du générateur hybride 100 et de la source électrique de puissance 40 qu'il met en oeuvre, un avion peut être, de manière autonome, entraîné au roulage au sol par des moteurs de roues électriques ou par un entraînement électrique d'un corps tournant de réacteur 20, par exemple du compresseur de grand diamètre 24 (Fan), et les réacteurs peuvent être démarrés électriquement au moyen du moteur électrique 30 le plus tard possible, juste avant le décollage. Cette solution permet de limiter les pollutions sonores et par les hydrocarbures dans les plates-formes aéroportuaires.
En fonctionnement normal, i.e. hors cas de panne, le ou les moteurs thermoacoustiques 50 du ou des générateurs électriques de puissance 40 produisent de l'électricité indépendamment du fonctionnement des réacteurs.
Ainsi, en cas de panne des réacteurs, la production d'électricité n'est pas affectée, ce qui permet de continuer à alimenter les équipements de l'avion, condition particulièrement critique sur les avions modernes à commandes de vol totalement électriques, le cas échéant y compris les servocommandes si celles-ci sont à actionneurs électriques. Si la panne d'un réacteur est d'origine thermodynamique, il est encore possible d'entraîner les parties tournantes du réacteur 20, en particulier de la turbine de grand diamètre 24 (Fan), au moyen du moteur électrique 30 et ainsi de maintenir une poussée du réacteur qui, même réduite, permet d'améliorer la finesse de vol apparente de l'avion et d'augmenter sensiblement son rayon d'action en cas de difficultés.
Il convient ici de remarquer que, contrairement aux avions d'architectures conventionnelles qui mettent en oeuvre des groupes auxiliaires de puissance à turbine qui sont à l'arrêt en croisière et nécessitent d'être remis en route pour produire à nouveau une énergie électrique essentielle à l'avion, dans le cas du générateur hybride 100 il n'y a pas d'interruption de la production électrique ni de risque de non redémarrage du groupe auxiliaire puisque la production électrique par le moteur thermoacoustique 50 est permanente.
Sur cette dernière comparaison entre les solutions conventionnelles et le générateur hybride de l'invention, il doit également être noté que les turbines des générateurs auxiliaires ont le plus souvent une altitude maximale de redémarrage en vol et que si l'avion se trouve au dessus de cette altitude maximale l'avion doit engager une descente avec d'autres moyens de génération électrique, batteries et ou éoliennes, jusqu'à atteindre une altitude propice au rallumage de la turbine du groupe auxiliaire.
Le générateur 100 permet donc également de supprimer les groupes auxiliaires de puissance conventionnelle ainsi que les générateurs électriques entraînés mécaniquement par les moteurs, et ce avec des gains de masse, de facilités d'installation et de fiabilité.
Les avantages opérationnels du générateur 100 de l'invention, en particulier dans le cas de son utilisation comme moyen de propulsion d'un aéronef, sont donc manifestes.
Considérant l'aspect du rendement énergétique du générateur 100 et de l'utilisation de moteurs thermoacoustiques 50 pour la production de la puissance électrique, les avantages de l'invention sont encore plus manifestes si l'on considère l'utilisation d'un carburant cryogénique, par exemple du méthane liquide à pression ambiante à la température de 111k, solution considérée aujourd'hui comme une alternative possible au kérosène.
Dans ce cas le méthane cryogénique peut être utilisé pour former des sources froides 60 à basse température, de l'ordre de 150 K, pour améliorer le rendement thermodynamique des générateurs thermoacoustiques.
Le méthane réchauffé, dans les sources froides des générateurs thermoacoustiques et ou dans les étages de compresseurs, en particulier les compresseurs haute pression 221 des moteurs thermodynamiques à turbine 20 dont le rendement sera également amélioré par un abaissement de la température avant la combustion, sera avantageusement gazéifié de sorte à faciliter sa mise en oeuvre dans les zones de combustion en particulier des sources chaudes 70.
Dans une forme de réalisation, la chaleur Q+ devant être apportée aux échangeurs thermiques chaud 57 est transportée depuis des sources chaudes 70 jusqu'aux dits échangeurs par le moyen de caloducs ou de circuits à fluide caloporteur, par exemple un métal à l'état liquide aux températures mises en oeuvre.
Les sources chaudes comportent par exemple des brûleurs alimentés avec du kérosène, du méthane ou un autre carburant.
Dans une forme de réalisation une quantité de chaleur non utilisée dans le moteur thermodynamique à turbine 20, par exemple en sortie des turbines, est utilisée pour augmenter la température de la source chaude 70.
Ainsi le générateur hybride 100, apporte une alternative aux solutions de générateurs de puissance ou de poussée hybride en introduisant une hybridation électrique dont l'énergie est produite localement par des dispositifs de génération électrique à haut rendement exploitant les ressources embarquées existantes et en apportant une assistance permanente aux générateurs de puissance ou de poussée conventionnels, voire une possible substitution au moins dans un mode dégradé.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1 - Générateur hybride (100) de puissance ou de poussée comportant au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) et comportant au moins un générateur électrique de puissance (40) caractérisé en ce que l'au moins un générateur électrique de puissance (40) est connecté électriquement à au moins un moteur électrique (30), ledit au moins un moteur électrique étant couplé mécaniquement en rotation à au moins une partie tournante (21, 22, 24) dudit au moins un moteur thermodynamique à turbine lorsque ledit au moins un moteur thermodynamique à turbine est en fonctionnement.
  2. 2 - Générateur hybride suivant la revendication 1 dans lequel au moins un générateur électrique de puissance (40) comporte au moins un moteur thermoacoustique (50) entraînant un alternateur électrique linéaire (53).
  3. 3 - Générateur hybride suivant la revendication 2 dans lequel au moins une source froide (60) d'au moins un moteur thermoacoustique (50) met en oeuvre un carburant d'au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) et ou un carburant d’au moins un moteur thermoacoustique (50).
  4. 4 - Générateur hybride suivant la revendication 2 dans lequel le carburant est un carburant cryogénique stocké à l'état liquide à température inférieure à 120 K, par exemple du méthane liquide cryogénique.
  5. 5 - Générateur hybride suivant l'une des revendications 2 à 4 dans lequel au moins une source chaude (70) d'au moins un moteur thermoacoustique (50) utilise, pour au moins une partie de la quantité de chaleur apportée à un ou des échangeurs thermiques chauds dudit moteur thermoacoustique, la combustion d'un carburant également utilisé pour alimenter l'au moins un moteur thermodynamique à turbine (20).
  6. 6 - Générateur hybride suivant l'une des revendications 2 à 5 dans lequel au moins une source chaude (70) d'au moins un moteur thermoacoustique (50) utilise, pour au moins une partie de la quantité de chaleur apportée à un ou des échangeurs thermiques chauds (57a, 57b) dudit moteur thermoacoustique, une quantité de chaleur prélevée sur un moteur thermodynamique à turbine (20) au niveau d'une chambre de combustion (23) et ou d'étages de turbine (222, 212).
  7. 7 - Générateur hybride suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le générateur électrique de puissance (40) est dimensionné pour délivrer une puissance électrique égale ou supérieure à 10% d'une puissance thermodynamique d'un régime de fonctionnement continu en service d'au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) du générateur hybride (100).
  8. 8 - Générateur hybride suivant la revendication 7 dans lequel le générateur électrique de puissance (40) est dimensionné pour délivrer une puissance électrique inférieure ou égale à une puissance thermodynamique d'un régime de fonctionnement continu en service d'au moins un moteur thermodynamique à turbine (20) du générateur hybride (100).
  9. 9 - Générateur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le moteur thermodynamique à turbine (20) est un turboréacteur.
  10. 10 - Véhicule comportant au moins un générateur hybride (100) conforme à l'une des revendications 1 à 9 mis en œuvre comme dispositif de propulsion principal.
  11. 11 - Véhicule suivant la revendication 10 dans lequel l'au moins un générateur électrique de puissance (40) de l'au moins un générateur hybride (100) est mis en œuvre comme une source d'énergie électrique principale de servitudes dudit véhicule.
  12. 12 - Véhicule suivant la revendication 10 ou la revendication 11 comportant au moins deux générateurs hybrides (100), et dans lequel au moins un générateur électrique de puissance (40) de chacun desdits générateurs hybrides peut être, par des reconfigurations d'un système de distribution de l'énergie électrique produite par lesdits générateurs électriques de puissance, commuté en utilisation vers l'un ou l'autre des moteurs thermodynamiques à turbines de chacun desdits générateurs hybrides, la commutation affectant tout ou partie de la puissance électrique.
  13. 13 - Véhicule suivant l'une des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que ledit véhicule est un aéronef,
  14. 14 - Véhicule suivant la revendication 13 dans lequel le générateur de puissance électrique (40) de chacun des générateurs hybrides 100) comporte un moteur thermpacoustique (50) installé dans un fuselage (16) dudit aéronef.
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