FR3051516A1 - Dispositif de compression a assistance electrique comprenant au moins un compresseur axial pour un fluide de travail, tel qu'un fluide gazeux - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de compression d'un fluide gazeux comprenant au moins un compresseur axial (12) avec une bouche d'admission (16) du fluide à comprimer, une bouche de sortie (18) du fluide comprimé située axialement dans le prolongement de la bouche d'admission, et un moyen de compression dudit fluide logé entre les bouches avec un rotor de compresseur (20) et un stator de compresseur (22), et au moins une machine électrique (30) pour l'entraînement en rotation du rotor de compresseur (26). Selon l'invention, la machine électrique comprend un stator (32) avec des galeries axiales de circulation (44) du fluide qui forme une grille statorique (46) et en ce que le stator de la machine électrique est placé en regard de l'une au moins des bouches (16, 18) 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 gazeux.

Elle concerne notamment un dispositif pour comprimer un fluide gazeux, ici de l'air, par un système de compression axiale, présentant un ou plusieurs étages de compression, 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).

Dans les deux cas précités, la machine électrique associée au compresseur, généralement centrifuge sur ce type de système, 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 éler^rique 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 positionné au dos du compresseur centrifuge dans le cas d’un compresseur électrifié.

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 perturt>er cette dernière. La liaison entre le compresseur et la machine est alors rigide ou réalisée à l’aide d’un accouplement mécanique ou magnétique.

Ce type de systèmes est mieux décrit dans les brevets US 2007/0137626, WO 2014/209870, WO 2015/188028, US 2010/0018203 ou GB 2508647. 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 perturtjer 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.

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 comprenant au moins un compresseur axial avec une bouche d'admission du fluide à comprimer, une bouche de sortie du fluide comprimé située axialement dans le prolongement de la bouche d'admission, et un moyen de compression dudit fluide logé entre les bouches avec un rotor de compresseur et un stator de compresseur, et au moins une machine électrique pour l’entraînement en rotation du rotor de compresseur, caractérisé en ce que la machine électrique comprend un stator avec des galeries axiales de circulation du fluide qui forme une grille statorique et en ce que le stator de la machine électrique est placé en regard de l'une au moins des bouches du compresseur.

Le dispositif peut comporter deux compresseurs axiaux et une machine électrique et la bouche de sortie de l'un des compresseurs est placée en regard du stator de la machine électrique et la bouche d'admission de l'autre compresseur est placée en regard dudit stator.

Les galeries peuvent être délimitées par une culasse de stator, un palier de stator, des voiles radiaux reliant la culasse au palier, et des 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 coupe frontale schématique, selon la ligne 2-2, du dispositif 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 de la machine électrique de la figure 2 intégrée au dispositif de compression électrifié ; et - les figures 6 à 10 illustrent de manière schématique des variantes de 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 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 12, de type compresseur axial, comprend un carter 14 avec une bouche d'admission 16 de fluide, ici gazeux comme de l'air ou un mélange d'air {pouvant contenir des gaz d'échappement), et une bouche de sortie 18 de fluide comprimé, situées toutes deux à la suite l'une de l’autre et sur un même axe longitudinal. Généralement, ce carter loge, entre les deux bouches, un moyen de compression sous la forme d'au moins un rotor de osmpresseur 20 muni d'aubes radiales et d'au moins un stator de compresseur 22 également muni d'aubes radiales Issues du carter. Gomme cela est connu, le rotor est soumis à un mouvement de rotation par l'intermédiaire d'un arbre 24 alors que le stator est fixe avec le carter.

Cet arbre 24 est lié en rotation avec un arbre 26 portant un rotor 28 d'une machine électrique 30 placée en regard de l’une des bouches, ici la bouche d'admission 16, et en amont de cette bouche en considérant la veine de fluide gazeux Fa qui circule de la gauche vers la droite de la figure selon les flèches A.

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 traverse le stator de cette machine, selon les flèches A', pour être amené à la bouche 16 du compresseur axial.

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.

En se rapportant à la figure 2, cette machine électrique comporte le rotor 28 et un stator de machine électrique 32 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 28, de préférence magnétique, porte des générateurs de flux magnétique (non représentés), principalement des aimants permanents.

Le stator 32 comprend une culasse périphérique 34 et une partie centrale évidée délimitée par un palier tubulaire 36 à l'intérieur duquel est logé le rotor de la machine électrique.

La culasse du stator de la machine électrique est reliée au palier tubulaire par une multiplicité de voiles radiaux 38 répartis circonférentiellement et régulièrement, ici 12 voiles répartis tous les 30°, qui délimitent entre eux des passages 40 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 34 jusqu'au bord extérieur du palier 36 et se déploient axialement tout au long du stator 32.

Comme illustré sur la figure 2, le stator comporte des générateurs de flux magnétique, ici des bobinages d'induit 42, de préférence étanches aux liquides notamment de refroidissement qui peuvent circuler à l’Intérieur ou à l’extérieur du stator, qui sont logés dans les passages 40 et plus prédsément au voisinage du bord intérieur de la culasse annulaire 34.

Les voiles 38 permettent ainsi d'éloigner les bobinages 42 du palier 36. De plus, ces voiles permettent le guidage, vers le rotor, du flux magnétique généré par les bobinages qui sont éloignés de ce rotor.

Les galeries axiales 44 ainsi formées entre les bobinages, le bord extérieur du palier et les voiles constituent alors une grille 46, dite grillé statorique, permettant de laisser passer au travers d'elle un fluide, tel qu'un fluide gazeux,

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 éledrique 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 voiles 38 composant la grille statorique 46 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 possible 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 voiles 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, le stator 32 de la machine électrique avec sa grille statorique 46 est monté en regard de la bouche d'admission 16 du compresseur d'une manière telle que tout ou partie de l'étendue radiale des galeries 44 se trouvent en face de la bouche considérée (voir figure 2).

Comme mieux représenté sur la figure 1, l’ensemble formé par l’arbre 26 portant le rotor 28 de la machine électrique et l'arbre 24 du rotor du compresseur est porté par deux paliers 48, 50 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 et des contraintes d’intégration, 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.

En fonctionnement, la machine électrique est alimentée en courant d'une façon telle que son rotor 28 est entraîné en rotation.

Cette rotation est transmise à l'arbre 26, qui est lié à l'arbre 24 du rotor de compresseur, en entraînant la rotation de ce rotor de compresseur.

La rotation de ce rotor de compresseur provoque l'aspiration du fluide de la veine Fa au travers du stator 32 et plus particulièrement au travers de la grille statorique 46 et des galeries 44 de cette dernière selon les flèches A'.

Le fluide aspiré traverse les galeries 44, arrive à la bouche d'admission 16 puis pénètre dans le compresseur. Sous l'action du moyen de compression (rotor + stator de compresseur), ce fluide est comprimé et est ensuite évacué, sous forme comprimée, par la bouche de sortie 18 vers tous dispositifs, comme l'admission d'un moteur à combustion interne.

Avantageusement, un ou plusieurs appendices aérodynamiques, sont placés 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, un appendice aérodynamique, ici représenté sous la forme d'une ogive 52, est placé sur la face du stator 32 ou en liaison avec le rotor en regard de la veine de fluide Fa en recouvrant l'extrémité du rotor présent dans le palier 36.

Un autre appendice aérodynamique, sous la forme d'un déflecteur conique 54, est placé sur l'autre face du stator ou en liaison avec le rotor en entourant le rotor 28 et/ou l'arbre de rotor 24.

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 variante de la figure 6, le stator de la machine électrique 30 avec sa grille statorique 46 est ici en regard de la bouche de sortie 18 du compresseur avec l'arbre 26 du rotor 28 de cette machine qui est coaxial avec l'arbre 24 du rotor 20 de compresseur et avec une même disposition des paliers 48, 50 que celle de la figure 1.

Une telle disposition amène les mêmes avantages que ceux décrits en relation avec la figure 1 avec la particularité selon laquelle les galeries 44 de la grille statorique 46 sont traversées par le fluide comprimé sortant du compresseur selon les flèches A'.

Ceci permet de stabiliser le flux d’air et éventuellement profiter du refroidissement du stator pour refroidir l’air comprimé pour augmenter sa densité.

En outre, il ne se produit aucune perturbation du flux d’entrée du compresseur

De plus, il est possible de mieux intégrer le stator du compresseur au stator de la machine électrique, ce qui permet d'obtenir un gain en compacité de l’ensemble.

Ainsi, dans le cas d’un positionnement de la machine en amont du compresseur, il est possible de pouvoir diriger/modifier la direction du fluide afin d’optimiser le comportement du compresseur. Dans le cas d’un positionnement de la machine en aval du compresseur, il est possible de modifier/redresser la direction du fluide, afin d’optimiser l’utilisation de l’air en aval, notamment en vue d’une association avec un autre système de compression.

Dans la variante de la figure 7, une machine électrique 30 est placée entre deux compresseurs 12a et 12b, identiques à celui de la figure 1, en étant porté par un même arbre reliant le rotor 28 de cette machine et les rotors 20a et 20b des compresseurs pour former un dispositif de compression à double étage. La configuration de cette ensemble est telle que la bouche de sortie 18a de l'un 12a des compresseurs est en regard de l'une des faces de la grille statorique 46 de la machine et la bouche d'admission 16b de l'autre 12b des compresseurs est en regard de l'autre des faces de la grille statorique 46 de la machine. Le fluide de la veine Fa est comprimé par le compresseur 12a puis le fluide comprimé traverse la grille statoriques 46 selon les flèches A' pour être introduit dans l'autre compresseur 12b où il est encore comprimé

Dans cette configuration, un des paliers, ici le palier 48, est placé entre le compresseur 12a et la machine 30 alors que l'autre des paliers (palier 50) est placé entre cette machine et l'autre compresseur 12b.

La double compression permet de réaliser un rapport de compression souhaité et d’atteindre des rapports de compression plus élevés qu’un compresseur axial simple de même taille.

De plus, pour un rapport de compression donné, deux compresseurs plus compacts auront une inertie moindre qu’un seul compresseur de taille plus grande.

La variante de la figure 8 se différencie de la figure 1 par le fait que l'ensemble formé par les arbres 24 et 26 est porté par un seul palier 50, ici situé au voisinage de la bouche de sortie 18 du compresseur 12.

La disposition de la figure 9 est similaire à celle de la figure 1 avec la grille statorique 46 du stator 32 de la machine électrique 30 qui est en regard de la bouche d'admission 16 du compresseur 12 mais à distance de celle-ci et avec la disposition de l'un des paliers, (palier 50) placé entre cette machine électrique et ce compresseur. Ceci permet d'introduire potentiellement dans la bouche d'admission 16 un supplément de fluide provenant d'une autre veine de fluide Fb qui va se mélanger avec le fluide provenant de la veine Fa.

Ceci a pour avantage de de répartir les efforts de l’arbre de manière plus uniforme.

En outre, dans le cas où le fluide utilisé dans la veine Fb est un gaz encrassé et/ou chaud, comme des gaz d'échappement, cela permet d'éviter de souiller et de réchauffer la machine électrique.

De même, la figure 10 illustre une configuration similaire à celle de la figure 9 avec la grille statorique 46 du stator 32 d'une machine électrique 30 qui est en regard de la bouche d'admission mais à distance de celle-ci avec la possibilité d'introduire dans la bouche d'admission un supplément de fluide provenant d'une autre veine de fluide Fb. Dans cette configuration un seul palier 50 supporte l'ensemble des arbres 24 et 26 et est placé dans l'intervalle entre la machine et la bouche d'admission.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS 1) Dispositif de compression d'un fluide gazeux comprenant au moins un compresseur axial (12) avec une bouche d'adrnission (16) du fluide à comprimer, une bouche de sortie (18) du fluide comprimé située axialement dans le prolongement de la bouche d'admission, et un moyen de compression dudit fluide logé entre les bouches avec un rotor de compresseur (20) et un stator de compresseur (22), et au moins une machine électrique (30) pour l'entraînement en rotation du rotor de compresseur (26), caractérisé en ce que la machine électrique comprend un stator (32) avec des galeries axiales de circulation (44) du fluide qui forme une grille statorique (46) et en ce que le stator de la machine électrique est placé en regard de l'une au moins des bouches (16,18) du compresseur.
2. 2) Dispositif de compression selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit dispositif comporte deux compresseurs axiaux (12a, 12b) et une machine électrique (30) et en ce que la bouche de sortie (18a) de l’un des compresseurs (12a) est placée en regard du stator (32) de la machine électrique (30) et la bouche d'admission (16b) de l’autre compresseur (12b) est placée en regard dudit stator.
3. 3) Dispositif de compression selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les galeries (44) sont délimitées par une culasse de stator (34), un palier de stator (36), des voiles radiaux (38) reliant la culasse au palier, et des générateurs de flux magnétique (42).
4. 4) Dispositif de compression selon la revendication 3, caractérisé en ce que les voiles (38) ont une direction axiale sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du stator (32).
5. 5) Dispositif de compression selon la revendication 3, caractérisé en ce que les voiles (38) ont une direction axiale inclinée par rapport à l'axe longitudinal du stator (32).
6. 6) Dispositif de compression selon la revendication 3, caractérisé en ce que les voiles (38) ont une direction en forme de vrille par rapport à l'axe longitudinal du stator (32).
7. 7) Dispositif de compression selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le stator (32) de la machine porte au moins un appendice aérodynamique (52, 54).
8. 8) Dispositif de compression selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'appendice aérodynamique a une forme d'ogive (52).
9. 9) Dispositif de compression selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'appendice aérodynamique est un déflecteur conique (54).
10. 10) Dispositif de compression selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'appendice aérodynamique est une baguette profilée.
11. 11) Dispositif de compression selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les voiles (26) ont, en section longitudinale, un profil aérodynamique.