FR3095007A1 - Ensemble comprenant deux compresseurs radiaux et deux turbines radiales - Google Patents

Ensemble comprenant deux compresseurs radiaux et deux turbines radiales Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un ensemble comprenant : deux compresseurs radiaux (C1, C2), deux turbines radiales (T1, T2), caractérisé en ce qu’il comprend un système d’engrenage comportant : une roue centrale (1), des roues satellites (2a, 2b), les roues satellites (2a, 2b, 2c, 2d) étant engrenées sur la roue centrale (1), les compresseurs (C1, C2) et les turbines (T1, T2) ayant chacun pour axe de rotation l’axe de rotation d’une roue satellite (2a, 2b). Figure 1

Description

ENSEMBLE COMPRENANT DEUX COMPRESSEURS RADIAUX ET DEUX TURBINES RADIALES
La présente invention concerne le domaine des turbomachines. Plus particulièrement, l’invention a pour objet un ensemble comprenant deux compresseurs radiaux et deux turbines radiales.
Les convertisseurs d’énergie équipée de turbines à gaz sont largement utilisés dans le domaine des applications stationnaires, par exemple pour produire de l’électricité. Certains cycles thermodynamiques de ces convertisseurs comprenant plusieurs étages de compression et de détente permettent d’atteindre des rendements ainsi que des densités de puissance très importants.
Cependant, dans des applications industrielles stationnaires on utilise des technologies de turbomachines comprenant des compresseurs et des turbines axiales. Dans cette technologie, l’entrée des gaz et la sortie des gaz sont dans le même axe. C’est le cas par exemple d’un turbo réacteur.
De telles turbines à gaz ne sont pas utilisables dans le domaine l’automobile où l’on recherche la compacité. Le domaine de l’automobile utilise plutôt des machines radiales comme les turbocompresseurs, à l’exemple du document FR2979384A1. Dans ces machines l’entrée des gaz et la sortie des gaz ne se font pas dans le même axe. De plus, ces machines peuvent atteindre des taux de compression et de détente plus importants que pour les machines axiales.
Si on veut alors une architecture composée plusieurs étages de compression et de détente utilisant des machines radiales, cette architecture doit être repensée pour intégrer ces machines radiales.
L’invention vise à résoudre ce problème.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un ensemble comprenant :
-deux compresseurs radiaux,
-deux turbines radiales,
caractérisé en ce qu’il comprend un système d’engrenage comportant :
-une roue centrale,
-des roues satellites,
les roues satellites étant engrenées sur la roue centrale,
les compresseurs et les turbines ayant chacun pour axe de rotation l’axe de rotation d’une roue satellite.
L’effet technique est d’obtenir une architecture compacte intégrant deux compresseurs et deux turbines radiales.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
Selon une réalisation, l’ensemble comprend deux sous-ensembles comportant chacun : un compresseur, une turbine et une roue satellite ayant même axe de rotation.
Selon une réalisation, l’ensemble comprend :
-un sous-ensemble comportant les deux turbines et une roue satellite sur un même axe de rotation,
-un sous-ensemble comportant les deux compresseurs et une autre roue satellite sur un même axe de rotation.
Selon une réalisation, les rapports de démultiplication entre les roues satellites et la roue centrale sont différents.
L’invention a aussi pour objet une machine comprenant un ensemble de l’invention ainsi que :
-un refroidisseur, un régénérateur, deux chambres de combustion, un générateur électrique,
le refroidisseur étant relié entre une sortie d’air d’un premier des deux compresseurs et une entrée d’air du second des deux compresseurs, pour refroidir l’air issu du premier des deux compresseurs,
le régénérateur étant un échangeur de chaleur air / gaz de combustion relié entre une sortie d’air du second des deux compresseurs et une entrée d’air d’une première des deux chambres de combustion,
une première des deux chambres de combustion étant reliée entre une sortie d’air du régénérateur et une entrée d’une première des deux turbines,
la deuxième des deux chambres de combustion étant reliée entre une sortie de la première des deux turbines et une entrée de la seconde des deux turbines,
la sortie de la seconde des deux turbines étant reliée à une entrée des gaz de combustion du régénérateur,
Le générateur électrique étant entrainé par la roue centrale.
Selon une réalisation, les compresseurs sont disposés d’un côté par rapport à un plan parallèle à la roue centrale et passant par celle-ci tandis que les deux turbines sont disposées de l’autre côté de ce plan.
Selon une réalisation, les deux compresseurs sont disposés d’un côté par rapport à un plan perpendiculaire à la roue centrale et passant par son diamètre tandis que les deux turbines sont disposées de l’autre côté de ce plan.
Selon une réalisation, le refroidisseur est du côté des compresseurs tandis que le régénérateur et les chambres de combustion sont du côté des turbines.
L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend une machine selon l’une des variantes précédemment décrites.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :
: cette figure représente schématiquement en coupe un premier mode de réalisation d’une machine de l’invention.
: cette figure représente schématiquement en coupe un autre mode de réalisation d’une machine de l’invention.
: cette figure représente schématiquement un autre mode de réalisation d’une machine de l’invention.
La figure 1 représente un premier mode de réalisation d’une machine selon l’invention.
Selon ce mode de réalisation, la machine comprend deux compresseurs radiaux : un premier compresseur radial C1, un second compresseur radial C2. La machine comprend encore deux turbines radiales : une première turbine radiale T1 et une seconde turbine radiale T2. Un compresseur radial est un compresseur dont le fluide de travail, le plus souvent de l’air, entre selon l’axe de rotation du compresseur et en sort comprimé selon une direction radiale à l’axe de rotation. Une turbine radiale est une turbine dont le fluide de travail, le plus souvent des gaz de combustion, entre selon une direction radiale à l’axe de rotation et en sort détendu selon l’axe de rotation de la turbine.
Comme illustré sur la figure 1, la machine comprend encore un système d’engrenage de comportant une roue centrale 1, deux roues satellites 2a et 2b. Les roues satellites 2a, 2b, sont engrenées sur la roue centrale 1.
Dans ce premier mode de réalisation, il est prévu une architecture avec deux sous-ensembles comportant un compresseur, une turbine et une roue satellite sur un même axe de rotation.
Dans le cas présent, le premier compresseur C1, la roue satellite 2b et la seconde turbine T2 sont reliés par un arbre de transmission 3b sur un même axe de rotation. De la même manière le second compresseur C2, la roue satellite 2a et la première turbine T1 sont reliés par un arbre de transmission 3a sur un même axe de rotation.
Comme illustré encore sur la figure 1, la machine comprend une entrée d’air à comprimer EA1 vers le premier compresseur C1. Le premier compresseur C1 comprend une sortie SA1 d’air comprimé reliée à une entrée d’un échangeur IC de chaleur désigné refroidisseur, car il a pour fonction de refroidir l’air comprimé en sortie du compresseur C1. La sortie du refroidisseur IC est reliée à une entrée d’air EA2 du second compresseur C2. Le second compresseur C2 comprend une sortie SA2 d’air comprimé reliée à une entrée d’un régénérateur R. Un régénérateur est un échangeur de chaleur entre de l’air et des gaz de combustion permettant de réchauffer l’air sortant du second compresseur C2 avec la chaleur restante des gaz en sortie de la turbine 2.
La sortie d’air du régénérateur R est reliée à une entrée d’une première chambre de combustion CC1. La sortie de la première chambre de combustion CC1 est reliée à une entrée des produits de combustion EC1 de la première turbine T1. La première turbine T1 comprend une sortie des produits de combustion SC1 reliée à l’entrée d’une seconde chambre de combustion CC2. La sortie de la seconde chambre de combustion CC2 est reliée à une entrée EC2 des produits de combustion de la seconde turbine T2. La seconde turbine T2 comprend une sortie SC2 reliée au régénérateur R pour préchauffer l’air en entrée de la première chambre de combustion CC1.
La machine comprend encore un générateur électrique EG entrainé par la roue centrale 1.
Pour des raisons thermiques, on peut prévoir que les deux compresseurs C1, C2 soient disposés d’un côté par rapport à un plan parallèle à la roue centrale 1 et passant par celle-ci et les deux turbines T1, T2 de l’autre côté de ce plan. Avec cette configuration on peut prévoir de plus mettre les chambres de combustions CC1, CC2 et le régénérateur R du côté des turbines T1, T2 et le refroidisseur IC et le générateur électrique EG du côté des compresseurs C1, C2 afin de mieux gérer la thermique du système.
Ainsi, l’entrée d’air se fait par le compresseur C1, qui comprime l’air, donc augmente sa pression et sa température. L’air entre ensuite dans le refroidisseur IC qui rejette la chaleur vers l’ambiant s’il fait un échange thermique avec l’air ambiant. En sortie du refroidisseur IC, l’air est toujours à haute pression, mais il est refroidi. Cet air subit ensuite une seconde compression dans le second compresseur C2. En sortie du second compresseur C2, l’air est préchauffé dans le régénérateur R puis entre dans la première chambre de combustion CC1 où une combustion a lieu. En sortie de la première chambre de combustion CC1, les produits de combustion entrent dans la première turbine T1 et effectuent une première détente, puis repassent dans la seconde chambre de combustion CC2 où une seconde combustion a lieu, celle-ci étant appelée post-combustion. Les gaz en sortie de la seconde chambre de combustion passent dans la seconde turbine T2 qui détend les produits de combustion environ jusqu’à la pression atmosphérique. En sortie de la seconde turbine T2, les gaz sont toujours chauds, et passent dans le régénérateur R côté chaud pour préchauffer l’air en entrée de la première chambre de combustion CC1.
La roue centrale 1 tourne à une vitesse inférieure à la vitesse de rotation des turbomachines. Le rapport de démultiplication peut être adapté en fonction du générateur électrique utilisé.
Le fonctionnement de cette machine décrite en figure 1 est basé sur un cycle thermodynamique dit IRRGT pour « Intercooled Regeneratve Reheat Gas Turbine » en anglais, permettant d’obtenir des rendements ainsi que des densités de puissance importants.
La figure 2 présente un autre exemple de réalisation. Cet exemple de réalisation diffère du mode de réalisation de la figure 1 en ce que les deux turbines T1, T2 et la roue satellite 2a sont reliées par un même arbre de transmission 3a, pour former un sous-ensemble ayant un même axe de rotation. Cet exemple de réalisation diffère encore du mode de réalisation de la figure 1 en ce que les deux compresseurs C1, C2 et l’autre roue satellite 2b sont reliés par un autre arbre de transmission 4b, pour former un autre sous-ensemble ayant un même axe de rotation.
Cette configuration permet de mettre les turbines T1, T2 sur un même axe et les compresseurs C1, C2 sur un autre même axe. Etant donné que les turbines sont plus chaudes, que les compresseurs cela permet de gérer le fonctionnement du système et de définir des paliers d’arbre de transmission spécifiques aux conditions de température de fonctionnement. Dans cette configuration, les deux compresseurs C1, C2 sont disposés d’un côté par rapport à un plan perpendiculaire à la roue centrale 1 et passant par son diamètre tandis que les deux turbines T1, T2 sont disposées de l’autre côté de ce plan.
Avec cette configuration on peut prévoir également de disposer les chambres de combustions CC1, CC2 et le régénérateur R du côté des turbines T1, T2 et le refroidisseur IC du côté des compresseurs C1, C2.
La figure 3 présente un autre exemple de réalisation. Dans cette exemple, le refroidisseur, le régénérateur, les chambres de combustion, le générateur électrique ne sont pas visibles, pour plus de clarté. Cet exemple de réalisation diffère du mode de réalisation de la figure 1 en ce que chaque compresseur C1, C2 et chaque turbine T1, T2 sont chacun reliés à une roue satellite 2a, 2b, 2c, 2d distincte, respectivement par un arbre de transmission 3a, 3b, 3c, 3d. Chaque compresseur C1, C2 et chaque turbine T1, T2 a pour axe de rotation l’axe de rotation de la roue satellite auquel il est relié.
Dans cette configuration également, les deux compresseurs C1, C2 sont disposés d’un côté par rapport à un plan perpendiculaire à la couronne périphérique 3 et passant par son diamètre tandis que les deux turbines T1, T2 sont disposées de l’autre côté de ce plan. Avec cette configuration on peut prévoir également de disposer les chambres de combustions CC1, CC2 et le régénérateur R du côté des turbines T1, T2 et le refroidisseur IC du côté des compresseurs C1, C2.
Dans ce mode de réalisation présenté, le rapport de démultiplication entre les roues satellites 2a, 2b, 2c, 2d et la roue centrale 1 est le même pour toute les roues satellites 2a, 2b, 2c, 2d. En variante, on peut prévoir d’avoir des rapports de démultiplication différents entre les roues satellites 2a, 2b, 2c, 2d et la roue centrale 1, ce qui permet une adaptation des vitesses de rotation des compresseurs C1, C2 et / ou des turbines T1, T2. Pour les deux premiers modes de réalisation, les rapports de démultiplication entre les roues satellites 2a, 2b et la roue centrale 1 peuvent également être différents.
Les modes de réalisation présentent une machine dont l’architecture compacte autorise un embarquement dans un véhicule, tel qu’un véhicule automobile.
L’invention permet de réduire la longueur des axes de transmissions de la machine, et donc de diminuer les torsions et distorsion dans ces axes et de réduire le nombre de paliers. On obtient une architecture de machine compacte.

Claims (9)

  1. Ensemble comprenant :
    -deux compresseurs radiaux (C1, C2),
    -deux turbines radiales (T1, T2),
    caractérisé en ce qu’il comprend un système d’engrenage comportant :
    -une roue centrale (1),
    -des roues satellites (2a, 2b, 2c, 2d),
    les roues satellites (2a, 2b, 2c, 2d) étant engrenées sur la roue centrale (1),
    les compresseurs (C1, C2) et les turbines (T1, T2) ayant chacun pour axe de rotation l’axe de rotation d’une roue satellite (2a, 2b, 2c, 2d).
  2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend deux sous-ensembles comportant chacun : un compresseur, une turbine et une roue satellite ayant même axe de rotation.
  3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend :
    -un sous-ensemble comportant les deux turbines (T1, T2) et une roue satellite sur un même axe de rotation,
    -un sous-ensemble comportant les deux compresseurs (C1, C2) et une autre roue satellite sur un même axe de rotation.
  4. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les rapports de démultiplication entre les roues satellites (2a, 2b, 2c, 2d) et la roue centrale (1) sont différents.
  5. Machine, caractérisée en ce qu’elle comprend
    -un ensemble selon l’une des revendications 1 à 4,
    -un refroidisseur (IC), un régénérateur (R), deux chambres de combustion (CC1, CC2), un générateur électrique (EG),
    le refroidisseur (IC) étant relié entre une sortie d’air (SA1) d’un premier des deux compresseurs et une entrée (EA2) d’air du second des deux compresseurs, pour refroidir l’air issu du premier des deux compresseurs,
    le régénérateur (R) étant un échangeur de chaleur air / gaz de combustion relié entre une sortie d’air (SA2) du second des deux compresseurs et une entrée d’air d’une première des deux chambres de combustion (CC1),
    une première des deux chambres de combustion (CC1) étant reliée entre une sortie d’air du régénérateur (R) et une entrée (EC1) d’une première des deux turbines,
    la deuxième des deux chambres de combustion (CC2) étant reliée entre une sortie (SC1) de la première des deux turbines (T1) et une entrée (EC2) de la seconde des deux turbines (T2),
    la sortie (SC2) de la seconde des deux turbines (T2) étant reliée à une entrée des gaz de combustion du régénérateur (R),
    Le générateur électrique (EG) étant entrainé par la roue centrale (1).
  6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que les compresseurs (C1, C2) sont disposés d’un côté par rapport à un plan parallèle à la roue centrale (1) et passant par celle-ci tandis que les deux turbines (T1, T2) sont disposées de l’autre côté de ce plan.
  7. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que les deux compresseurs (C1, C2) sont disposés d’un côté par rapport à un plan perpendiculaire à la roue centrale (1) et passant par son diamètre tandis que les deux turbines (T1, T2) sont disposées de l’autre côté de ce plan.
  8. Machine selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisée en ce que le refroidisseur (IC) est du côté des compresseurs (C1, C2) tandis que le régénérateur (R) et les chambres de combustion (CC1, CC2) sont du côté des turbines (T1, T2).
  9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend une machine selon l’une des revendication 5 à 8.
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