FR3091900A1 - Turbomachine comprenant un panneau d’echange thermique et de production d’energie electrique - Google Patents

Turbomachine comprenant un panneau d’echange thermique et de production d’energie electrique Download PDF

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Abstract

Turbomachine (1), d’axe longitudinal (X), comprenant un panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique (18), le panneau (18) comprenant : - un élément balayé par un flux de gaz ; - une chambre de circulation d’huile ; - un convertisseur thermoélectrique s’étendant entre ledit élément et ladite chambre, ledit convertisseur thermoélectrique produisant de l’énergie électrique à partir d’une différence de température entre une source froide et une source chaude ; caractérisée en ce que la turbomachine (1) comprend une soufflante mobile (2) entourée par un carter externe (4), ledit panneau (18) étant disposé en aval de ladite soufflante (2) et rapporté sur une face interne dudit carter externe (4), ledit flux de gaz étant un flux d’air généré par ladite soufflante (2), ledit flux d’air formant ladite source froide et recevant de l’énergie thermique de ladite huile, ladite huile formant ladite source chaude et cédant de l’énergie thermique audit flux d’air. Figure pour l'abrégé :Figure 1

Description

TURBOMACHINE COMPRENANT UN PANNEAU D’ECHANGE THERMIQUE ET DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne une turbomachine comprenant un panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique.
Arrière-plan technique
Il est connu du document FR-A1-2942077 d’implanter un panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique dans la tuyère d’éjection d’un turbomoteur.
Un tel panneau comprend un élément balayé par un flux de gaz, une chambre de circulation d’un fluide tel que de l’huile ou du carburant, et un convertisseur thermoélectrique s’étendant entre l’élément et la chambre. Le convertisseur thermoélectrique produit de l’énergie électrique à partir d’une différence de température entre une source froide et une source chaude.
Plus précisément, le panneau est rapporté sur une face interne de la tuyère. Les gaz balayant l’élément du panneau correspondent au gaz d’échappement. Le fluide présent dans la chambre forme la source froide et reçoit de l’énergie thermique des gaz d’échappement. Les gaz d’échappement forment la source chaude et cèdent de l’énergie thermique au fluide présent dans la chambre. Un convertisseur thermoélectrique permet de convertir une différence de température à ses bornes en énergie électrique sur la base de l’effet Seebeck.
Il est également connu d’implanter sur une turbomachine au moins un échangeur thermique destiné à refroidir l’huile utilisée pour lubrifier les paliers de guidage des pièces mobiles tels qu’un arbre d’une soufflante.
L’échangeur thermique est par exemple un échangeur thermique air/huile surfacique plus connu sous l’acronyme anglais SACOC pour « Surface Air Cooled Oil Cooler ». Un tel échangeur thermique comprend un élément balayé par un flux d’air froid et au moins une chambre de circulation d’huile. L’échangeur thermique permet à l’huile de céder une partie de son énergie thermique au flux d’air froid.
La demanderesse constate que l’huile constitue une source chaude et que l’énergie thermique cédée par l’huile n’est pas utilisée. La température de l’huile peut atteindre 140°C.
L’objectif de la présente invention est donc de proposer une turbomachine comprenant un panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique permettant de refroidir l’huile et produire de l’énergie électrique.
L’invention propose à cet effet une turbomachine, d’axe longitudinal X, comprenant un panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique, le panneau comprenant :
- un élément balayé par un flux de gaz ;
- une chambre de circulation d’huile ;
- un convertisseur thermoélectrique s’étendant entre ledit élément et ladite chambre, ledit convertisseur thermoélectrique produisant de l’énergie électrique à partir d’une différence de température entre une source froide et une source chaude ;
caractérisée en ce que la turbomachine comprend une soufflante mobile entourée par un carter externe, ledit panneau étant disposé en aval de ladite soufflante et rapporté sur une face interne dudit carter externe, ledit flux de gaz étant un flux d’air généré par ladite soufflante, ledit flux d’air formant ladite source froide et recevant de l’énergie thermique de ladite huile, ladite huile formant ladite source chaude et cédant de l’énergie thermique audit flux d’air.
Un tel panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique permet de refroidir l’huile et produire de l’énergie électrique.
En effet, la chaleur de l’huile est transférée à l’élément par conduction via le convertisseur thermoélectrique. L’élément est refroidi par convection via le flux d’air.
L’huile à refroidir correspond par exemple à l’huile utilisée pour lubrifier des paliers de guidage d’un arbre de la soufflante.
Le fait d’implanter un tel panneau sur le carter externe, et autrement dit juste en aval de la soufflante, permet de disposer d’un flux d’air présentant une capacité de refroidissement élevée. En outre, un tel panneau peut être dimensionné avec une grande liberté puisque, d’une part le carter externe présente des dimensions importantes, et d’autre part l’espace disponible à l’intérieur du carter est généralement important.
La turbomachine selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- ledit convertisseur thermoélectrique comprend au moins un thermocouple disposé entre un premier isolateur électrique et un second isolateur électrique, ledit premier isolateur étant en contact avec ladite chambre et le second isolateur étant en contact avec ledit élément ;
- ledit convertisseur comprend une pluralité de thermocouples connectés électriquement en série, lesdits thermocouples étant disposés entre ledit premier isolateur électrique et ledit second isolateur électrique ;
- un thermocouple comprend deux plots reliés l’un à l’autre à l’une de leurs extrémités par un conducteur électrique, un desdits plots étant formé dans un matériau semi-conducteur de type P et l’autre desdits plots étant formé dans un matériau semi-conducteur de type N ;
- ladite turbomachine comprend une pluralité d’aubes de guidage fixes placées dans une veine et disposées en aval de ladite soufflante, chacune desdites aubes de guidage étant fixée audit carter externe à l’une de ses extrémités et à une structure inter-veine à l’autre de ses extrémités, ledit panneau étant disposé directement en aval desdites aubes de guidage ;
- ledit panneau se présente sous la forme d’un secteur d’anneau d’axe X ;
- ladite chambre s’étend circonférentiellement ;
- ledit élément comprend une base à partir de laquelle s’étend une rangée d’ailettes distantes circonférentiellement les unes des autres, chacune desdites ailettes s’étendant longitudinalement ;
- ladite énergie électrique produite par ledit convertisseur alimente directement un système électrique et/ou est stockée dans des moyens de stockage ;
- la turbomachine comprend deux panneaux mis circonférentiellement bout à bout.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une vue schématique partielle en demi-coupe axiale d’une turbomachine comprenant un panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique selon l’invention ;
la figure 2 est une vue de droite partielle en perspective de la turbomachine illustrée sur figure 1 ;
la figure 3 est une vue de détail en section du panneau selon l’invention;
la figure 4 est une vue en perspective illustrant un tronçon du panneau selon l’invention ;
la figure 5 est une vue en perspective d’un convertisseur thermoélectrique du panneau selon l’invention ;
la figure 6 est une vue schématique illustrant le montage de plusieurs convertisseurs thermoélectriques.
Description détaillée de l'invention
Sur la figure 1 est représentée partiellement une turbomachine à double flux 1, qui comprend classiquement d’amont en aval, dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante carénée 2 et un moteur (ou générateur de gaz) comportant un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Les rotors de la turbomachine 1 sont mobiles en rotation autour d’un axe longitudinal X de la turbomachine 1.
La soufflante carénée 2 est ainsi entourée par un carter externe 4. Le carter externe 4 comprend un tronçon amont 5 et un tronçon aval 6 bridés l’un à l’autre. Le tronçon amont 5 est plus communément appelé « carter de soufflante ». Le tronçon aval 6 correspond à une virole externe 6 d’un carter intermédiaire 7.
Par convention dans la présente demande, on entend par « longitudinalement » ou « longitudinal » toute direction parallèle à l’axe X, et par « radialement » ou « radial » toute direction perpendiculaire à l’axe X. De même, par convention dans la présente demande, les termes « interne », « externe », « intérieur » et « extérieur » sont définis radialement par rapport à l’axe X. Enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine.
Le flux d’air généré par la soufflante 2 est divisé, par un bec de séparation d’une structure inter-veine 8 de la turbomachine 1, en un flux d’air primaire qui pénètre dans une veine primaire 9 du moteur et un flux d’air secondaire qui s’écoule autour du moteur dans une veine secondaire 10.
La soufflante 2 comporte un arbre 11 portant des pales 12 entraîné en rotation par la turbine basse pression. L’arbre 11 est guidé en rotation via des paliers 13 par rapport à un support 14 rapporté sur un moyeu interne 15 d’un carter intermédiaire 7. Le moyeu interne 15 fait partie intégrante de la structure inter-veine 8.
Le carter intermédiaire 7 est disposé axialement entre le compresseur basse pression 3 et le compresseur haute pression. Le carter intermédiaire 7 comprend le moyeu interne 15 et une virole externe 6 (carter externe) s’étendant autour du moyeu 15, le moyeu interne 15 et la virole externe 6 étant reliés l’un à l’autre par des aubes de guidage fixes 16 réparties de manière régulière autour de l’axe X. Les aubes de guidage 16 sont plus connues sous l’acronyme anglais OGV pour « Outlet Guide Vane ». La virole 6 et le moyeu 15 forment une portion de la veine secondaire 10. Autrement dit, chaque aube de guidage traverse la veine secondaire 10 et est fixée à la virole externe 6 à une extrémité externe et au moyeu interne 15 à une extrémité interne.
Le moyeu 15 du carter intermédiaire 7 comprend un passage définissant une portion de la veine primaire 9.
Les paliers de guidage 13 de l’arbre 11 de la soufflante 2 sont logés et lubrifiés dans une enceinte de lubrification 17 communément appelée « enceinte huile ». Plus précisément, l’enceinte de lubrification 17 est délimitée extérieurement par le support 14 et le moyeu interne 15, et intérieurement par l’arbre 11 de la soufflante 2.
La turbomachine 1 comprend en outre au moins un panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique 18 disposé en aval de la soufflante 2 et rapporté sur une face interne du carter externe 4.
Le panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique 18 comprend :
- un élément 19 balayé par un flux d’air de refroidissement généré par la soufflante 2;
- une chambre de circulation d’huile à refroidir 20 ;
- un convertisseur thermoélectrique 21 (ou module thermoélectrique) s’étendant entre l’élément 19 et la chambre 20, le convertisseur thermoélectrique 21 produisant de l’énergie électrique à partir d’une différence de température entre une source froide et une source chaude, le flux d’air formant la source froide et recevant de l’énergie thermique de l’huile, l’huile formant la source chaude et cédant de l’énergie thermique au flux d’air.
La chaleur de l’huile est transférée à l’élément 19 par conduction via le convertisseur thermoélectrique 21. L’élément 19 est refroidi par convection via le flux d’air. Un tel panneau 18 permet ainsi d’abaisser la température de l’huile.
L’huile à refroidir correspond par exemple à l’huile utilisée pour lubrifier les paliers de guidage 13 de l’arbre 11 de la soufflante 2.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures, la turbomachine 1 comprend plusieurs panneaux 18 rapportés sur la virole externe 6 du carter intermédiaire 7. Les panneaux 18 sont disposés longitudinalement directement en aval des aubes de guidage 16. Chaque panneau 18 se présente sous la forme d’un secteur d’anneau d’axe X. Deux panneaux 18 adjacents peuvent être circonférentiellement espacés l’un de l’autre ou mis bout à bout, tel qu’illustré sur la figure 2.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures et notamment les figures 3 et 4, chaque panneau 18 comprend notamment trois éléments superposés radialement depuis l’intérieur vers l’extérieur, à savoir l’élément 19 balayé par le flux d’air secondaire, le convertisseur thermoélectrique 21 et la chambre de circulation d’huile 20. Et autrement dit, selon la fixation du panneau 18, la chambre de circulation d’huile 20 se trouve en regard ou directement en contact avec la face interne de la virole externe 6.
Tel qu’illustré notamment sur les figures 2 et 4, l’élément 19 de chaque panneau 18 comprend une base 22 circulaire à partir de laquelle s’étend une rangée d’ailettes 23 distantes circonférentiellement les unes des autres. Chaque ailette 23 est rectiligne et s’étend longitudinalement. Les ailettes 23 permettent d’augmenter la surface d’échange thermique avec le flux d’air secondaire. Les ailettes 23 sont indépendantes les unes des autres, et autrement dit elles ne sont pas reliées entre elles. Le flux d’air secondaire circule ainsi entre les ailettes 23.
Tel qu’illustré notamment sur les figures 3 et 4, chaque panneau 18 comprend trois chambres de circulation d’huile 20 accolées s’étendant chacune circonférentiellement. Les chambres 20 peuvent être indépendantes les unes des autres ou communiquées entres elles. Les chambres 20 sont connectées à au moins une entrée et au moins une sortie d’huile.
Tel qu’illustré notamment sur la figure 5, le convertisseur thermoélectrique 21 comprend une pluralité de thermocouples 24 (ou cellules) connectés électriquement en série. Les thermocouples 24 sont disposés radialement entre un premier isolateur électrique 25 et un second isolateur électrique 26. Le premier isolateur 25 est directement en contact avec les chambres 20 et le second isolateur 26 est directement en contact avec l’élément 19. Pour rappel, un tel convertisseur thermoélectrique 21 permet de convertir une différence de température à ses bornes en énergie électrique sur la base de l’effet Seebeck.
Plus précisément, les premier et second isolateurs 25, 26 se présentent chacun sous la forme d’une plaque. Le premier isolateur 25 est représenté partiellement sur la figure 5. Les premier et second isolateurs 25, 26 sont par exemple réalisés en céramique.
Tel qu’illustré sur la figure 5, un thermocouple 24 comprend deux plots reliés l’un à l’autre, à leur extrémité externe, par un conducteur électrique 27. Un des plots est formé dans un matériau semi-conducteur de type P (annoté P sur la figure 5) et l’autre des plots est formé dans un matériau semi-conducteur de type N (annoté N sur la figure 5).
Plus précisément, le conducteur 27 se présente sous la forme d’une plaque. Le conducteur 27 est par exemple réalisé en cuivre.
L’énergie électrique produite par le ou les convertisseurs thermoélectriques 21 alimente directement un système électrique (tel qu’un actionneur électrique) et/ou est stockée dans des moyens de stockage. Les moyens de stockage peuvent être une batterie d’accumulateurs plus communément appelée batterie.
Le panneau 18 peut comprendre plusieurs convertisseurs thermoélectriques 21. Dans un tel cas, tel qu’illustré sur la figure 6, les convertisseurs thermoélectriques 21 sont connectés électriquement en parallèle.
Le panneau 18 peut être assimilé à un échangeur thermique air/huile surfacique du type SACOC (Surface Air Cooled Oil Cooler) auquel a été intégré un ou plusieurs convertisseurs thermoélectriques 21.

Claims (10)

  1. Turbomachine (1), d’axe longitudinal (X), comprenant un panneau d’échange thermique et de production d’énergie électrique (18), le panneau (18) comprenant :
    - un élément (19) balayé par un flux de gaz ;
    - une chambre de circulation d’huile (20) ;
    - un convertisseur thermoélectrique (21) s’étendant entre ledit élément (19) et ladite chambre (20), ledit convertisseur thermoélectrique (21) produisant de l’énergie électrique à partir d’une différence de température entre une source froide et une source chaude ;
    caractérisée en ce que la turbomachine (1) comprend une soufflante (2) entourée par un carter externe (4), ledit panneau (18) étant disposé en aval de ladite soufflante (2) et rapporté sur une face interne dudit carter externe (4), ledit flux de gaz étant un flux d’air généré par ladite soufflante (2), ledit flux d’air formant ladite source froide et recevant de l’énergie thermique de ladite huile, ladite huile formant ladite source chaude et cédant de l’énergie thermique audit flux d’air.
  2. Turbomachine (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit convertisseur thermoélectrique (21) comprend au moins un thermocouple (24) disposé entre un premier isolateur électrique (25) et un second isolateur électrique (26), ledit premier isolateur (25) étant en contact avec ladite chambre (20) et le second isolateur (26) étant en contact avec ledit élément (19).
  3. Turbomachine (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit convertisseur (21) comprend une pluralité de thermocouples (24) connectés électriquement en série, lesdits thermocouples (24) étant disposés entre ledit premier isolateur électrique (25) et ledit second isolateur électrique (26).
  4. Turbomachine (1) selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce qu’un thermocouple (24) comprend deux plots reliés l’un à l’autre à l’une de leurs extrémités par un conducteur électrique (27), un desdits plots étant formé dans un matériau semi-conducteur de type P et l’autre desdits plots étant formé dans un matériau semi-conducteur de type N.
  5. Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite turbomachine (1) comprend une pluralité d’aubes de guidage fixes (16) placées dans une veine (10) et disposées en aval de ladite soufflante (2), chacune desdites aubes de guidage (16) étant fixée audit carter externe (4) à l’une de ses extrémités et à une structure inter-veine (8) à l’autre de ses extrémités, ledit panneau (18) étant disposé directement en aval desdites aubes de guidage (16).
  6. Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit panneau (18) se présente sous la forme d’un secteur d’anneau d’axe (X).
  7. Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite chambre (20) s’étend circonférentiellement.
  8. Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élément (19) comprend une base (22) à partir de laquelle s’étend une rangée d’ailettes (23) distantes circonférentiellement les unes des autres, chacune desdites ailettes (23) s’étendant longitudinalement.
  9. Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite énergie électrique produite par ledit convertisseur (21) alimente directement un système électrique et/ou est stockée dans des moyens de stockage.
  10. Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la turbomachine (1) comprend deux panneaux (18) mis circonférentiellement bout à bout.
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