FR3102805A1 - Groupe motopropulseur pour avions - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un groupe motopropulseur (1) pour des avions, présentant un arbre (2) et une turbine à gaz (3) avec un compresseur (4) servant à comprimer du gaz et une turbine (5), le compresseur (4) et la turbine (5) étant reliés de manière solidaire en rotation à l’arbre (2), et une chambre de combustion (6), présentant par ailleurs au moins une pile à combustible (7). L’invention vise à augmenter le rendement dans tous les états de fonctionnement et à proposer un groupe motopropulseur compact. L’invention propose à cet effet que l’arbre (2) puisse être entraîné au moins indirectement exclusivement par au moins un moteur électrique (8). Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

Groupe motopropulseur pour avions
La présente invention concerne un groupe motopropulseur pour des avions, présentant un arbre et une turbine à gaz avec un compresseur servant à comprimer du gaz et une turbine, le compresseur et la turbine étant reliés de manière solidaire en rotation à l’arbre, ainsi qu’avec une chambre de combustion, le groupe motopropulseur présentant par ailleurs au moins une pile à combustible. La présente invention concerne également un procédé servant à faire fonctionner un groupe motopropulseur de ce type.
La présente divulgation relève du domaine des groupes motopropulseurs pour avions.
Lors du fonctionnement de groupes motopropulseurs d’avion, leur efficacité ou leur rendement revêtent une importance majeure dans la mesure où cela va de pair avec la consommation de carburant et avec la production de gaz d’échappement nocifs.
En raison des exigences imposées aux groupes motopropulseurs variant selon le mode de fonctionnement de l’avion, il convient d’optimiser un rendement dans tous les états de fonctionnement du groupe motopropulseur. Ainsi, il est courant dans l’état de la technique de piloter les groupes motopropulseurs à turbine à gaz selon l’état de fonctionnement, donc de ralentir le groupe motopropulseur quand l’avion entame sa descente et d’exploiter pleinement le groupe motopropulseur quand l’avion entame sa montée.
Par ailleurs, on sait utiliser des piles à combustible dans des avions pour ainsi alimenter en énergie par exemple la cabine d’avion lorsque l’avion se trouve au sol. Ces piles à combustible présentent la majeure partie du temps un réservoir séparé, en particulier d’hydrogène, ce qui se traduit par un besoin de place supplémentaire important et une charge supplémentaire. Toutefois, le fonctionnement de systèmes de ce type comprend soit l’utilisation des piles à combustible exclusivement pour alimenter les systèmes embarqués soit seulement le couplage à la turbine à gaz de sorte que le rendement est amélioré. Il n’existe néanmoins aucun système à l’heure actuelle qui améliore de manière ciblée la flexibilité du fonctionnement d’un groupe motopropulseur et le rendement dans le fonctionnement « non nominal ».
Résumé
La présente invention a par voie de conséquence pour objectif de fournir un groupe motopropulseur pour des avions, dans lequel le rendement est augmenté dans tous les états de fonctionnement et qui présente dans le même temps une configuration compacte. De même, la présente invention a pour objectif de proposer un procédé servant à faire fonctionner un groupe motopropulseur optimisé de manière correspondante.
L’objectif visant un groupe motopropulseur est atteint grâce à un groupe motopropulseur du type mentionné en introduction, dans lequel l’arbre peut être entraîné au moins indirectement exclusivement par au moins un moteur électrique.
Dans ce cadre, la turbine à gaz présente un ensemble sensiblement courant dans l’état de la technique composé d’un compresseur, d’une chambre de combustion et d’une turbine avec au moins un arbre. En variante, la turbine à gaz peut présenter plusieurs arbres, compresseurs, chambres de combustion et/ou turbines. Dans ce cadre, le compresseur et la turbine sont selon l’invention reliés par paire de manière solidaire en rotation à un arbre de sorte qu’une rotation de la turbine favorise une rotation du compresseur, et inversement. Si plusieurs arbres sont prévus, un compresseur et une turbine à gaz sont respectivement reliés selon l’invention à un arbre.
Une configuration de l’invention, dans laquelle le nombre des arbres correspond au nombre des compresseurs et des turbines est de manière correspondante avantageuse. On entend par compresseurs ou turbines en particulier un ou plusieurs étages de compresseur ou de turbine radiaux ou axiaux disposés les uns derrière les autres. Ces étages axiaux sont constitués d’un branchement les unes après les autres d’une aube montée de manière rotative et d’aubes stationnaires. Des étages radiaux ne présentent en revanche habituellement aucune aube stationnaire. De plus, au moins un moteur électrique, par lequel l’au moins un arbre peut être entraîné, est prévu. Dans la chambre de combustion, un combustible, habituellement du kérosène, lequel est enflammé dans la chambre de combustion est amené au système de sorte que la température du flux d’air dans la zone de la chambre de combustion augmente. Une partie du flux d’air comprimé par le compresseur est amenée à la au moins une pile à combustible, qui peut mettre en réaction par l’air comprimé amené une plus grande quantité d’oxygène et qui est par la suite plus efficace. L’énergie produite par la pile à combustible alimente selon les besoins des systèmes les plus variés de l’avion ou du groupe motopropulseur.
Selon l’invention, l’arbre peut être entraîné néanmoins également exclusivement par le moteur électrique. Cela permet un fonctionnement flexible du groupe motopropulseur, lequel rend possible selon les besoins un entraînement de l’arbre exclusivement par la puissance de combustion des turbines à gaz, exclusivement par le moteur électrique dans le cas d’un ralentissement ou d’un arrêt total de la turbine à gaz ou par une combinaison des deux modes de fonctionnement mentionnés ci-avant. Ainsi, il suffit, dans des états de fonctionnement, dans lesquels seulement une puissance de propulsion faible doit être produite, par exemple lors de la descente d’entraîner l’arbre exclusivement par le moteur électrique de sorte que de l’air comprimé peut être amené à la pile à combustible par ailleurs par le compresseur. En revanche, un entraînement combiné à partir du moteur électrique et de la turbine à gaz ou exclusivement par la turbine à gaz est avantageux dans des états de fonctionnement, dans lesquels une puissance de propulsion importante est requise, par exemple lors de la procédure de démarrage de l’avion.
Il est prévu dans une configuration de l’invention que le groupe motopropulseur présente plusieurs arbres, respectivement un arbre pouvant être entraîné en particulier au moins indirectement exclusivement par un moteur électrique. Si le groupe motopropulseur présente plusieurs arbres, ceux-ci sont disposés selon l’invention de préférence de manière coaxiale les uns par rapport aux autres pour gagner de la place à l’intérieur du groupe motopropulseur. La pluralité des arbres permet d’atteindre, lors d’un pilotage correspondant, de temps à autre des rendements nettement plus importants du groupe motopropulseur. Si dans une configuration de l’invention, respectivement un arbre peut être entraîné par un des moteurs électriques, le pilotage des arbres est rendu possible par le pilotage correspondant des moteurs électriques.
Il est prévu dans le perfectionnement de l’invention que la pile à combustible est disposée pour alimenter en énergie l’au moins un moteur électrique. Cela améliore l’efficacité du système global et évite des temps morts, dans lesquels l’énergie de la pile à combustible est requise seulement pour d’autres systèmes de l’avion. Un accumulateur d’énergie branché de manière intercalée est à cet effet conforme à l’invention, dans lequel l’énergie provenant de la pile à combustible peut être stockée temporairement si besoin et de l’énergie peut être sur cette base évacuée si besoin dans des moteurs électriques ou dans d’autres systèmes de l’avion.
Il est prévu dans une configuration de l’invention que la pile à combustible est réalisée pour alimenter au moins en partie des sous-systèmes en une énergie produite dans la pile à combustible. En particulier dans des états de fonctionnement, dans lesquels la turbine à gaz est entraînée exclusivement par la combustion d’un combustible, l’énergie provenant de la pile à combustible, laquelle n’est pas requise pour les moteurs électriques, peut alimenter des sous-systèmes.
Il est prévu dans un perfectionnement de l’invention que la turbine à gaz et la pile à combustible sont reliés l’une à l’autre de telle manière que du gaz comprimé dans l’état de fonctionnement provenant de la turbine à gaz peut être amené à la pile à combustible. L’amenée de gaz comprimé, en particulier d’air comprimé, provenant de la turbine à gaz dans la pile à combustible permet d’augmenter nettement l’efficacité de la pile à combustible en raison de la quantité plus importante de l’oxygène amené. De plus, un compresseur séparé pour la pile à combustible ou encore des moyens d’enrichissement en oxygène servant à poursuivre l’augmentation de l’efficacité ne sont pas forcément nécessaires.
Il est prévu dans la configuration du groupe motopropulseur selon l’invention qu’il présente des moyens servant à acheminer un gaz d’échappement de la pile à combustible devant et/ou dans et/ou après la chambre de combustion dans la turbine à gaz. Il est possible en supplément de ramener les gaz d’échappement dans et/ou après la turbine. Le gaz d’échappement de la pile à combustible augmente l’efficacité de la turbine à gaz en raison de la température plus élevée dans la mesure où il entreprend une partie de l’augmentation de température du flux d’air de turbine à gaz, qui est obtenu autrement par la combustion de carburant dans la chambre de combustion.
Il est prévu dans un perfectionnement de l’invention que la pile à combustible présente un reformeur servant à alimenter la pile à combustible en combustible, en particulier en hydrogène. Pour faire fonctionner la pile à combustible, de l’hydrogène est requis, lequel peut être obtenu dans le présent exemple de réalisation à partir de kérosène par exemple par un reformeur. Cela a pour avantage que d’autres substances éventuelles contenant de l’hydrogène ne doivent pas être transportées séparément et que peut être utilisé en tant que combustible exclusivement du kérosène, lequel est typiquement requis pour la turbine à gaz.
Il est prévu dans la configuration du groupe motopropulseur selon l’invention qu’il présente un post-brûleur servant à brûler du combustible résiduel non brûlé de la pile à combustible. Un post-brûleur de ce type est alors en particulier avantageux quand le gaz d’échappement de la pile à combustible est amené après la chambre de combustion à la turbine à gaz et qu’ainsi les combustibles résiduels ne sont pas brûlés eux-mêmes dans la chambre de combustion. De plus, une amenée des combustibles résiduels dans la chambre de combustion de la turbine à gaz renferme dans des circonstances données des impondérables ou des risques dans la mesure où du kérosène présente une température de combustion différente de l’hydrogène et qu’un mélange des deux substances conduit à des paramètres de combustion différents dans la chambre de combustion.
Il est prévu dans un perfectionnement de l’invention que le groupe motopropulseur présente une roue à aubes reliée de manière solidaire en rotation à l’arbre et soit configurée en particulier en tant que groupe motopropulseur à faisceau d’enveloppe ou turbopropulseur. Dans une configuration de ce type du groupe motopropulseur, l’énergie mécanique dans les arbres peut être utilisée à la fois par la roue à aubes et par l’air chaud accéléré provenant de la turbine pour la puissance de propulsion. Globalement, l’efficacité du système global en est ainsi améliorée.
Le problème lié à un procédé servant à faire fonctionner un groupe motopropulseur du type susmentionné est résolu en ce que l’arbre est entraîné au moins indirectement exclusivement par l’au moins un moteur électrique. Cela rend possible un fonctionnement flexible du groupe motopropulseur. Ainsi, l’arbre peut être entraîné selon les besoins exclusivement par la puissance de combustion des turbines à gaz, exclusivement par le moteur électrique lors du ralentissement ou de l’arrêt total dans la turbine à gaz ou par une combinaison à partir des deux modes de fonctionnement mentionnés ci-avant. Dans des états de fonctionnement tels que la descente, il est par conséquent avantageux quand l’arbre est entraîné exclusivement par le moteur électrique de sorte que de l’air comprimé par le compresseur peut être amené par railleurs à la pile à combustible. En revanche, l’entraînement de l’arbre est avantageux par exemple lors de la procédure de démarrage ou lors de la montée avec une combinaison composée du moteur électrique et de la turbine à gaz ou exclusivement par la turbine à gaz dans des états opérationnels, dans la mesure où la turbine à gaz doit être entraînée de toutes les façons pour la puissance de propulsion requise.
La présente invention est décrite à titre d’exemple dans un mode de réalisation préféré en faisant référence à la figure suivante, sur laquelle on peut voir :
Fig. 1
une vue schématique d’un groupe motopropulseur 1 selon l’invention.
La illustre une vue schématique d’un groupe motopropulseur 1 selon l’invention. Le groupe motopropulseur 1 présente dans le mode de réalisation illustré un arbre 2 et une turbine à gaz 3. La turbine à gaz 3 est formée à partir d’un compresseur 4 et d’une turbine 5, lesquels sont reliés de manière solidaire en rotation à l’arbre 2, ainsi qu’à partir d’une chambre de combustion 6, dans laquelle, du carburant, en particulier du kérosène, est introduit et y est brûlé. Un flux d’air est reçu dans le groupe motopropulseur 1 au niveau d’une extrémité faisant face à la turbine 5 et est acheminé dans le système. Le flux d’air est comprimé par le compresseur 4. Le gaz comprimé est acheminé dans la chambre de combustion 6, où il est mélangé à un combustible, lequel est pulvérisé de préférence dans la chambre de combustion 6, et est enflammé conjointement. Le gaz chauffé est par la suite guidé à travers la turbine 5, dans laquelle du gaz entraîne la turbine. Le gaz sortant au niveau de l’extrémité de turbine du groupe motopropulseur 1 donne lieu à cet effet à une propulsion, grâce à laquelle le groupe motopropulseur 1 entraîne l’avion qui en est pourvu.
Pour produire en supplément la propulsion, une roue à aubes 10 peut être prévue, laquelle se trouve au niveau de l’extrémité, faisant face à la turbine 5, du groupe motopropulseur 1 et est reliée de manière solidaire en rotation à l’arbre 2. La liaison solidaire en rotation de la turbine 5 et du compresseur 4 à l’arbre 2 permet d’entraîner la roue à aubes 10 par le flux d’air indirectement par le compresseur 4 et la turbine 5.
La roue à aubes 10 est dans ce cadre réalisée de telle sorte qu’un mouvement de rotation de celle-ci résulte en une autre propulsion du groupe motopropulseur 1.
Par ailleurs, une pile à combustible 7 est prévue dans le groupe motopropulseur 1, laquelle est logée dans la turbine à gaz 3 ou est reliée au moins à celle-ci de manière active. La pile à combustible 7 est alimentée en hydrogène, lequel peut provenir au choix d’un réservoir d’hydrogène entraîné séparément, d’un reformeur 9 ou d’une autre source.
Un reformeur 9 est dans ce cadre particulièrement avantageux dans la mesure où celui-ci peut transformer par exemple du kérosène, lequel est employé de toutes les façons dans un avion, en hydrogène et en produits résiduels. Dans ce cadre, les produits résiduels peuvent être séparés tandis que l’hydrogène est amené à la pile à combustible 7 et est mis en réaction dans celle-ci.
Pour faire fonctionner la pile à combustible 7, une partie du flux d’air comprimé par le compresseur 4 est introduite dans la pile à combustible 7.
Les gaz d’échappement de la pile à combustible 7 sont ramenés ensuite dans le système et sont mélangés au flux d’air ou au mélange de gaz avant, dans ou après la chambre de combustion 6 ou dans ou après la turbine 5 et sont évacués.
L’énergie qui est produite par la pile à combustible 7 peut être utilisée pour alimenter des sous-systèmes tels que l’électronique embarquée ou pour alimenter un moteur électrique 8. En variante, un accumulateur d’énergie est également envisageable, dans lequel l’énergie produite est stockée temporairement et peut être prélevée si besoin de ce dernier. Le moteur électrique 8 est relié dans ce cadre à l’arbre 2 ou au compresseur 4 de telle manière qu’il entraîne celui-ci au moins indirectement. Un entraînement direct de la turbine 5 par le moteur électrique 8 est également envisageable. Le moteur électrique 8 est réalisé ainsi de telle sorte qu’il peut faire fonctionner seule, donc en particulier sans apport de kérosène l’arbre 2 également dans l’état arrêté de la turbine à gaz 3. Cela est particulièrement avantageux dans des états de fonctionnement, dans lesquels l’avion se trouve par exemple dans la descente, dans laquelle aucune ou seulement une faible puissance de propulsion du groupe motopropulseur 1 est souhaitée, toutefois un fonctionnement efficace de la pile à combustible 7 est tributaire d’un flux d’air comprimé. Si le compresseur 4 continue à être entraîné par le moteur électrique 8, ce dernier peut continuer à compresser le flux d’air amené et à alimenter la pile à combustible 7 sans qu’une propulsion particulièrement élevée soit produite par la turbine à gaz 3.
1 Groupe motopropulseur
2 Arbre
3 Turbine à gaz
4 Compresseur
5 Turbine
6 Chambre de combustion
7 Pile à combustible
8 Moteur électrique
9 Reformeur
10 Roue à aubes.

Claims (10)

  1. Groupe motopropulseur (1) pour avions, présentant un arbre (2) et une turbine à gaz (3) avec un compresseur (4) servant à comprimer du gaz et une turbine (5), dans lequel le compresseur (4) et la turbine (5) sont reliés de manière solidaire en rotation à l’arbre (2), et avec une chambre de combustion (6), présentant par ailleurs au moins une pile à combustible (7), caractérisé en ce que l’arbre (2) peut être entraîné au moins indirectement exclusivement par au moins un moteur électrique (8).
  2. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il présente des moyens servant à acheminer un gaz d’échappement de la pile à combustible (7) devant et/ou dans et/ou après la chambre de combustion (6) dans la turbine à gaz (3).
  3. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’il présente un post-brûleur servant à brûler du combustible résiduel non brûlé de la pile à combustible (7).
  4. Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il présente plusieurs arbres (2), dans lequel en particulier respectivement un arbre (2) peut être entraîné au moins indirectement exclusivement par un moteur électrique (8).
  5. Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pile à combustible (7) est disposée pour alimenter l’au moins un moteur électrique (8) en énergie.
  6. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pile à combustible (7) est réalisée pour alimenter au moins en partie des sous-systèmes en énergie produite dans la pile à combustible (7).
  7. Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine à gaz (3) et la pile à combustible (7) sont reliées l’une à l’autre de telle manière que du gaz comprimé dans l’état de fonctionnement provenant de la turbine à gaz (3) peut être amené à la pile à combustible (7).
  8. Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pile à combustible (7) présente un reformeur (9) servant à alimenter la pile à combustible (7) en combustible, en particulier en hydrogène.
  9. Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe motopropulseur (1) présente une roue à aubes (10) reliée de manière solidaire en rotation à l’arbre (2) et est configuré en particulier en tant que groupe motopropulseur à faisceau d’enveloppe ou turbopropulseur.
  10. Procédé servant à faire fonctionner un groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’arbre (2) est entraîné au moins indirectement exclusivement par l’au moins un moteur électrique (8).
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