FR3048022B1 - Dispositif de compression a assistance electrique d'un fluide de travail, tel qu'un fluide liquide ou un fluide gazeux, et turbocompresseur comprenant un tel dispositif de compression. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de compression d'un fluide gazeux ou liquide comprenant un compresseur (11) avec une admission (14) du fluide à comprimer, une sortie (16) du fluide comprimé et un moyen de compression (18) dudit fluide porté par un arbre de compresseur (20) et logé entre l'admission et la sortie, et une machine électrique (24) comprenant un stator (26) portant des générateurs de flux magnétique (36) et un rotor (22) fixe en rotation avec l'arbre de compresseur (20). Selon l'invention, le stator (26) comporte une multiplicité de passages radiaux (34) disposés circonférentiellement le long dudit stator et comprenant des galeries de circulation du fluide (38) placées en regard de l'admission (14) du compresseur

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif de compression à assistance électrique d'un fluide de travail, tel qu'un fluide liquide ou un fluide gazeux.

Elle concerne notamment un dispositif pour comprimer un fluide gazeux, ici de l'air, par un compresseur, seul ou associé à une turbine pour former un turbocompresseur, pour ensuite l'envoyer vers tous appareils et plus particulièrement à l'admission d'un moteur à combustion interne.

En effet, comme cela est largement connu, la puissance délivrée par un moteur à combustion interne est dépendante de la quantité d’air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur, quantité d’air qui est elle-même proportionnelle à la densité de cet air.

Ainsi, il est habituel d'augmenter cette quantité d'air au moyen d’une compression de l’air extérieur avant qu'il ne soit admis dans cette chambre de combustion lors d'un besoin d’une forte puissance. Cette opération, appelée suralimentation, peut être réalisée par tous moyens, tel qu'un compresseur seul entraîné électriquement par une machine électrique (compresseur électrifié), ou par un compresseur associé à une turbine et à une machine électrique pour former un turbocompresseur électrifié).

Dans les deux cas précités, la machine électrique associée au compresseur peut être de deux types. L'un de ces types est une machine électrique à faible entrefer et bobinages proches du rotor qui permet un guidage optimal du flux magnétique et un rendement optimisé. Ce type de machine électrique présente l’avantage d’une certaine compacité, qui peut parfois devenir problématique pour son refroidissement et qui demande l’utilisation d’un système spécifique pour évacuer ses pertes.

Afin de ne pas être intrusif sur l’entrée d’air du compresseur, ce type de machine électrique est classiquement positionnée au dos du compresseur centrifuge dans le cas d’un compresseur électrifié, ou entre le compresseur et la turbine dans le cas d’un turbocompresseur électrifié, et cela malgré la présence d’un environnement thermique défavorable dans ce dernier car proche de la turbine. Généralement, la liaison entre le compresseur, la turbine et la machine électrique est rigide. Ce type de machine peut aussi être positionné côté compresseur mais à une distance relativement éloignée de l’entrée d’air afin de ne pas perturber cette dernière. La liaison entre le compresseur et la machine est alors rigide ou réalisé à l’aide d’un accouplement mécanique ou magnétique.

Ce type de systèmes est mieux décrit dans les brevets US 2014/0373532, US 8,157,543, US 8,882,478, US 2010/0247342, US 6,449,950, US 7,360,361, EP 0 874 953 ou EP 0 912 821. L'autre de ces types est une machine électrique à fort entrefer (appelée machine à « Air Gap »), dont l’entrefer peut parfois mesurer plusieurs centimètres afin de laisser passer le fluide de travail dans cet entrefer permettant ainsi une intégration au plus proche des systèmes de compression, dans un environnement thermique nettement plus favorable.

Cette disposition de machine électrique présente néanmoins le désavantage de perturber et limiter le passage du flux magnétique entre le rotor et le stator au travers du grand entrefer, ce qui contribue à limiter le rendement intrinsèque de la machine électrique ainsi que ses performances spécifiques (puissance massique et volumique). Les pertes élevées sur ce type de concept obligent aussi à développer un refroidissement spécifique pour évacuer les calories du rotor et du stator.

Ce type de machine électrique est notamment décrit dans les brevets EP 1 995 429, US 2013/169074 ou US 2013/043745.

La présente invention se propose de remédier aux inconvénients précités grâce à un dispositif de conception simple et peu onéreux. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de compression d'un fluide gazeux ou liquide comprenant un compresseur avec une admission du fluide à comprimer, une sortie du fluide comprimé et un moyen de compression dudit fluide porté par un arbre de compresseur et logé entre l'admission et la sortie, et une machine électrique comprenant un stator portant des générateurs de flux magnétique et un rotor fixe en rotation avec l'arbre de compresseur, caractérisé en ce que le stator comporte une multiplicité de passages radiaux disposés circonférentiellement le long dudit stator et comprenant des galeries de circulation du fluide placées en regard de l'admission du compresseur.

Les galeries de circulation de fluide peuvent s'étendre radialement en totalité ou en partie en regard de l'admission du compresseur.

Le stator peut être fixé sur l'admission du compresseur.

Les passages radiaux peuvent porter les générateurs de flux magnétique et les galeries peuvent être délimitées par des voiles radiaux, le palier de stator et les générateurs de flux magnétique.

Les voiles peuvent avoir une direction axiale sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du stator.

Les voiles peuvent avoir une direction axiale inclinée par rapport à l'axe longitudinal du stator.

Les voiles peuvent avoir une direction en forme de vrille par rapport à l'axe longitudinal du stator.

Le stator de la machine peut porter au moins un appendice aérodynamique. L'appendice aérodynamique peut avoir une forme d'ogive. L'appendice aérodynamique peut être un déflecteur conique. L'appendice aérodynamique peut être une baguette profilée.

Les voiles peuvent avoir, en section longitudinale, un profil aérodynamique.

Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui est une vue axiale schématique du dispositif de compression électrifié selon l'invention ; - la figure 2 qui est une vue frontale schématique, selon la flèche A, du dispositif de machine électrique de la figure 1 ; - les figures 3 et 4 montrent schématiquement des détails de la forme du stator de la machine électrique ayant un impact sur le dispositif de compression de la figure 1 ; - la figure 5 qui est une vue latérale partielle schématique, selon la flèche B, du dispositif de machine électrique de la figure 2 intégré au dispositif de compression électrifié ; - les figures 6 et 7 illustrent de manière schématique des variantes de la figure 1 ; et - les figures 8 à 10 sont des exemples de réalisation d'une autre variante de l'invention selon la figure 1.

La figure 1 est une illustration d'un dispositif de compression 10 à assistance électrique d'un fluide de travail, tel qu'un fluide liquide ou fluide gazeux.

Ce dispositif est en particulier utilisé en tant que compresseur d'un fluide contrôlé par une machine électrique, et sera dénommé dans la suite en tant que compresseur électrifié.

Le compresseur 11, de type compresseur centrifuge à roue à ailette, comprend un carter 12 avec une admission 14 de fluide gazeux, comme de l'air ou un mélange d'air (pouvant contenir des gaz d'échappement), et une sortie 16 de fluide comprimé.

Ce carter loge un moyen de compression sous la forme d'une roue de compresseur 18 placée entre l'admission et la sortie et qui est soumise à un mouvement de rotation sur un arbre 20.

Cet arbre 20 est lié en rotation avec un rotor 22 d'une machine électrique 24 placée en regard de l'admission 14 et en amont de cette admission en considérant la veine de fluide gazeux Fa qui circule de la gauche vers la droite de la figure.

Comme décrit ci-après, la machine, qui est utilisée en tant que machine motrice, a la particularité d'avoir une configuration telle que le fluide gazeux traverse le stator de cette machine pour être amené à l'admission 14 du compresseur.

Cette machine est, uniquement à titre d'exemple dans la suite de la description, une machine synchrone à une paire de pôles.

Cela n'écarte en aucune façon toute autre machine électrique, comme des machines synchrones avec plus d’une paire de pôles, des machines asynchrones à rotor bobiné ou à cage d'écureuil et les machines à réluctance.

Dans l'exemple de la figure 1, la machine électrique est placée sur l'admission 14 en y étant fixée par tous moyens connus comme par vissage.

En se rapportant à la figure 2, cette machine électrique comporte le rotor 22 et un stator 26 qui, à l'état monté, sont imbriqués l'un dans l'autre en étant coaxiaux tout en laissant le rotor libre en rotation.

Le rotor 22, de préférence magnétique, porte des générateurs de flux magnétique (non représentés), principalement des aimants permanents.

Le stator 26 comporte avantageusement un empilage de tôles ferromagnétiques planes, ici à titre d'exemple identiques, qui sont reliées entre elles par tous moyens connus et comprend une culasse périphérique 28 et une partie centrale évidée délimitée par un palier tubulaire 30 à l'intérieur duquel est logé le rotor.

La culasse du stator est reliée au palier tubulaire par une multiplicité de voiles radiaux 32 répartis circonférentiellement régulièrement, ici 12 voiles répartis tous les 30°. oui délimitent entre eux des oassaaes radiaux 34 de forme sensiblement triangulaire avec la pointe du triangle dirigée vers le palier. Ces passages s'étendent radialement du bord inférieur de la culasse annulaire 28 jusqu'au bord extérieur du palier 30 et se déploient axialement tout au long du stator 26.

Pour des raisons de simplification dans la suite de la description, les voiles sont dénommés en tant que dents statoriques.

Comme illustré sur la figure 2, le stator comporte des générateurs de flux magnétique, ici des bobinages d'induit 36, de préférence étanches aux liquides notamment de refroidissement qui peuvent circuler à l’intérieur du stator, qui sont logés dans les passages 34 et plus précisément au voisinage du bord intérieur de la culasse annulaire 28.

Les dents statoriques 32 de grande longueur permettent ainsi d'éloigner les bobinages du palier. De plus, ces dents permettent le guidage, vers le rotor, du flux magnétique généré par les bobinages qui sont éloignés de ce rotor.

Les galeries axiales 38 ainsi formées entre les bobinages, le bord extérieur du palier et les dents statoriques forment alors une grille 39, dite grille statorique, permettant de laisser passer au travers d'elle un fluide, tel qu'un fluide gazeux ou liquide.

Ceci permet d'assurer l'intégration dans la veine fluidique Fa de la machine électrique et/ou son refroidissement ainsi qu'un positionnement optimisé dans un système donné contraint par l'encombrement et/ou l’environnement thermique.

De plus, et par rapport à une machine électrique avec un grand entrefer, les caractéristiques magnétiques de cette machine permettent de limiter la quantité de matière active pour un niveau de performances donné.

Tel qu'illustré sur la figure 3, les dents 32 composant la grille statorique 39 peuvent avoir une direction axiale sensiblement parallèle au fluide qui la traverse, c’est-à-dire sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du stator, afin d’influencer le moins oossible la direction de ce fluide.

Cette direction axiale peut être aussi être inclinée par rapport à l'axe longitudinal du stator ou être une forme aérodynamique complexe, telle qu'une forme en vrille comme illustré à la figure 4, qui permet d’appliquer un mouvement aérodynamique spécifique au fluide traversant. La pré-rotation du fluide va permettre d'améliorer les performances du compresseur, notamment près de la zone de pompage de la cartographie du compresseur.

Ces dents peuvent aussi avoir un profil aérodynamique ou être associées à des appendices aérodynamiques spécifiques pour minimiser les pertes de charge liées au passage du fluide traversant la grille, comme une forme, en section, de goutte d'eau ou d'aile d'avion, en intégrant notamment un bord d’attaque, en amont de la grille par rapport à l’écoulement, et un bord de fuite, en aval de la grille par rapport à cet écoulement.

Du point de vue du refroidissement de la machine électrique, la grille statorique offre une surface d’échange très élevée au niveau du stator permettant d’utiliser un système de refroidissement simplifié par rapport à une machine électrique classique présentant des performances similaires, ou potentiellement d’augmenter la densité de courant dans le stator grâce à ce refroidissement optimisé, et ainsi d’augmenter ses performances spécifiques.

Ainsi, la machine électrique est montée sur l'admission 14 du compresseur d'une manière telle que tout ou partie de l'étendue radiale des galeries se trouvent en regard de cette admission (voir figure 2).

Comme mieux représenté sur la figure 1, l'ensemble formé par le rotor 22 de la machine motrice électrique et l'arbre 20 de la roue 18 du compresseur est porté par deux paliers 40a et 40b placés aux extrémités de cet ensemble.

De par son positionnement par rapport au compresseur, la machine électrique est placée dans un environnement thermiquement favorable, et est naturellement refroidie par le fluide qui la traverse. Ceci permet une maîtrise des coûts de conception, notamment en lien avec le système de refroidissement.

De plus, la machine électrique peut être facilement intégrée au plus près du compresseur, permettant d’obtenir un système de compression électrifié compact. Cette intégration étant réalisée dans un environnement thermiquement favorable, elle permet d’utiliser tout type de technologies de machine électrique, telles que les machines synchrones à aimants permanents, et notamment des technologies à très haut rendement généralement très sensibles à l’environnement thermique.

En outre, à puissance de fonctionnement égale, le comportement dynamique du compresseur électrifié dans son ensemble est amélioré par rapport à un compresseur électrifié avec une machine électrique à fort entrefer grâce à un poids de rotor plus faible, ce qui permet notamment d’augmenter les régimes de rotation.

Enfin, il est possible de pouvoir diriger/modifier la direction du flux d’air en amont de la roue du compresseur, afin d’optimiser le comportement de ce dernier.

En fonctionnement, la machine électrique est alimentée en courant d'une façon telle que son rotor 22 est entraîné en rotation.

Cette rotation est transmise à l'arbre 20, qui est lié au rotor, en entraînant la rotation de la roue 18 de compresseur.

La rotation de cette roue provoque l'aspiration du fluide de la veine Fa au travers du stator 26 et plus particulièrement au travers de la grille statorique et des galeries 38 de cette dernière. L'air aspiré arrive ensuite à l'admission 14 puis pénètre dans le compresseur. Sous l'action de la roue, cet air y est comprimé et est ensuite évacué, sous forme comprimée, par la sortie 16 vers tous dispositifs, comme l'admission d'un moteur à combustion interne.

Bien entendu ce compresseur peut être de tout autre type, comme un compresseur à pistons radiaux ou axiaux, à vis ou à palettes, l'essentiel résidant dans le fait que le rotor est entraîné en rotation par la machine électrique comme décrite plus haut et que le fluide de compression traverse préalablement le stator de la machine électrique.

Avantageusement, un ou plusieurs appendices aérodynamiques, est placé sur au moins l'une des deux extrémités de la machine électrique pour limiter les perturbations de l'écoulement du fluide de travail liées à la présence du rotor de la machine électrique et de la grille statorique tout en ne présentant aucune entrave pour le refroidissement de cette machine

Comme mieux illustré à la figure 5, l'appendice aérodynamique, ici représenté sous la forme d'une ogive 42, est placé sur la face du stator ou en liaison avec le rotor en regard de la veine de fluide Fa en recouvrant l'extrémité du rotor présent dans le palier 30.

Un autre appendice aérodynamique, sous la forme d'un déflecteur conique 43, est placé sur l'autre face du stator ou en liaison avec le rotor en entourant le rotor 22 et/ou l'arbre de roue 20.

De même, des appendices aérodynamiques (non représentés), comme par exemple des baguettes profilés, peuvent être placés sur les bords radiaux des voiles en regard de veine fluide (bords d'attaque) pour canaliser le fluide à l'entrée du stator et/ou sur les bords radiaux de ces voiles en regard du compresseur (bords de fuite) pour limiter la turbulence du fluide sortant de ce stator.

En se rapportant à la figure 6, la machine électrique est ici en regard de l'admission 14 du compresseur 11 mais à distance de celle-ci de façon à ce que l'un 40a de paliers, supportant l'ensemble rotor 22/arbre 20, puisse être logé dans l'intervalle ainsi créé, l'autre 40b des paliers étant placé sur l'extrémité libre du rotor 22.

De même, la figure 7 illustre une configuration selon laquelle la machine électrique 24 est en regard de l'admission 14 mais à distance de celle-ci. Dans cette configuration un seul palier 40a supporte l'ensemble rotor 22/arbre 20 et est placé dans l'intervalle entre la machine et l'admission. L'exemple de la variante de la figure 8 illustre un dispositif de compression 10 d'un fluide, gazeux ou liquide, qui est associé à un dispositif de détente 44. L'ensemble ainsi formé est plus connu sous le terme de turbocompresseur. 46.

Comme pour la figure 1, le dispositif de compression 10 comprend un compresseur 11 et une machine électrique 24 dont le rotor 22 est relié à l'arbre 20 de la roue 18 de compresseur.

Le dispositif de détente comprend une turbine 48 avec une carter 50 portant une entrée 52 d'air chaud comprimé, comme les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, et une sortie 54 d'air détendu. Une roue de turbine 56, ici une roue à ailettes, est placée dans le carter entre l'entrée et la sortie en étant portée par un arbre 58 de roue de turbine. Cet arbre est lié en rotation avec l'ensemble formé par le rotor 22 de la machine électrique et l'arbre 20 de roue de compresseur.

Le rotor 22, l'arbre de roue de compresseur 20 et l'arbre de roue de turbine forment ainsi un ensemble monobloc qui est supporté par un palier 40a de disposition semblable à celle de la figure 7.

Dans la variante de la figure 9, un autre palier 40b est placé sur l'extrémité libre du rotor 22 de la machine électrique qui fait face à la veine de fluide.

Pour la variante de la figure 10, la machine électrique 24 est en regard de l'admission 14 mais à distance de celle-ci et un autre palier 40b est placé dans l'intervalle entre la machine et l'admission.

Pour les exemples illustrés aux figures 8 à 10, il est ainsi possible d'entrainer le compresseur par la turbine seule, la machine électrique pouvant alors assurer une fonction de génératrice de courant sous l'effet de la rotation du rotor 22 si la puissance fournie par la turbine est supérieure à la puissance nécessaire au fonctionnement du compresseur.

Il est également possible d'entrainer le compresseur par la turbine et par la machine électrique utilisée en tant que moteur électrique, ce qui permet d’accroître les performances en compression du turbocompresseur, c'est-à-dire augmenter le taux de compression pour un taux de détente donné et favoriser l’activation et la montée en régime du compresseur (réduction du temps de réponse du turbocompresseur).

Il est à noter qu'un traitement surfacique du stator et du rotor rend cette machine compatible avec l’admission d'un fluide corrosif, tel que les gaz d'échappement d'un moteur qui peuvent être mélangés avec de l'air.

De plus ce type de machine peut notamment être intégré assez simplement sur un système de turbocompresseur existant sans nécessiter de modifications profondes du système original.

Dans ce type d’architecture, le rotor de la machine électrique peut notamment assurer la fonction de l’écrou de serrage côté compresseur.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS 1) Dispositif de compression d'un fluide gazeux ou liquide comprenant un compresseur (11) avec une admission (14) du fluide à comprimer, une sortie (16) du fluide comprimé et un moyen de compression (18) dudit fluide porté par un arbre de compresseur (20) et logé entre l’admission et la sortie, et une machine électrique (24) comprenant un stator (26) portant des générateurs de flux magnétique (36) ainsi qu'une multiplicité de passages radiaux (34) disposés circonférentiellement le long dudit stator et comprenant des galeries de circulation (38) du fluide placées en regard de l'admission (14) du compresseur, et un rotor (22) fixe en rotation avec l'arbre de compresseur (20), caractérisé en ce que les galeries (38) sont délimitées par des voiles radiaux (32) qui ont une direction axiale inclinée par rapport à l'axe longitudinal du stator (26).
2. 2) Dispositif de compression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les galeries de circulation de fluide (38) s'étendent radialement en totalité ou en partie en regard de l’admission (14) du compresseur.
3. 3) Dispositif de compression selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le stator (26) est fixé sur l'admission (14) du compresseur.
4. 4) Dispositif de compression selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le stator (26) de la machine porte au moins un appendice aérodynamique (42,43).
5. 5) Dispositif de compression selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'appendice aérodynamique a une forme d'ogive (42).
6. 6) Dispositif de compression selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'appendice aérodynamique est un déflecteur conique (43).
7. 7) Dispositif de compression selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'appendice aérodynamique est une baguette profilée.
8. 8) Dispositif de compression selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les voiles (26) ont, en section longitudinale, un profil aérodynamique.
9. 9) Turbocompresseur avec un dispositif de compression (10) et un dispositif de détente (44), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de compression selon l'une des revendications précédentes.