FR3131941A1 - Dispositif de turbomachine a tube de combustion comportant des buses d’injection de carburant et vehicule comprenant un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, - au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur (C1) et une première turbine (T1) ;- une chambre de combustion (CC1) connectée audit compresseur (C1) en amont et à ladite première turbine (T1) en aval ;- au moins une deuxième turbine (T2) ;caractérisé en ce que le dispositif de turbomachine comprend en outre - au moins un tube de combustion (CT1) connecté en aval de ladite première turbine (T1), et en amont de à ladite deuxième turbine (T2) ;et - au moins une buse d’injection (BI) pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion (CT1). L’invention concerne également un véhicule et un procédé sur la base d’un tel dispositif de turbomachine. Figure 1
Description
L’invention se rapporte au domaine des dispositifs de turbomachines, notamment du type à cycle turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT – pour «Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine» en langue anglaise). Ce type de turbomachine comprend généralement des turbines et compresseurs associés à des chambres de combustion avec une récupération de chaleur. L’invention concerne en particulier des applications utiles pour des véhicules automobiles.
La configuration des turbomachines de cette famille comprend généralement
- au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- au moins une première chambre de combustion connectée audit compresseur en amont et à ladite première turbine en aval ;
- au moins une deuxième turbine ;
- au moins une deuxième chambre de combustion connectée en amont à ladite première turbine, et en aval à ladite deuxième turbine.
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- au moins une deuxième turbine ;
- au moins une deuxième chambre de combustion connectée en amont à ladite première turbine, et en aval à ladite deuxième turbine.
Le cycle de turbogénérateur avec refroidisseur (« intercooler »), récupérateur et échangeur de chaleur de type IRReGT est un cycle à fort potentiel. Ce cycle permet d’atteindre un rendement très important mais aussi une densité de puissance très élevée.
Pour augmenter la densité de puissance (qu’on appelle thermodynamiquement le « travail net spécifique » qui représente la quantité d’air nécessaire pour produire une puissance donnée), on utilise une post combustion dans la deuxième chambre de combustion.
Or cette deuxième chambre de combustion est beaucoup plus volumineuse que la première chambre de combustion. Cela est dû au fait, que la pression dans cette chambre est plus faible, donc le débit volumique est plus grand et ainsi la taille est plus grande. En effet, la pression étant plus faible, cette deuxième chambre de combustion se situant en aval de la première turbine où une première détente a eu lieu, cela réduit ainsi la pression du cycle.
Un objectif de l’invention est de réduire la taille du dispositif de turbomachine pour en faciliter l’intégration dans un véhicule automobile.
Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, comprenant
- au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- une chambre de combustion connectée audit compresseur en amont et à ladite première turbine en aval ;
- au moins une deuxième turbine ;
caractérisé en ce que le dispositif de turbomachine comprend en outre
- au moins un tube de combustion connecté en aval de ladite première turbine, et en amont de ladite deuxième turbine ; et
- au moins une buse d’injection pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion.
- au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- une chambre de combustion connectée audit compresseur en amont et à ladite première turbine en aval ;
- au moins une deuxième turbine ;
caractérisé en ce que le dispositif de turbomachine comprend en outre
- au moins un tube de combustion connecté en aval de ladite première turbine, et en amont de ladite deuxième turbine ; et
- au moins une buse d’injection pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion.
Avantageusement, l’injection de carburant va permettre d’assurer la fonctionnalité réchauffe intermédiaire (ou « reheat » en langue anglaise). Cela permet d’augmenter la densité de puissance évoquée précédemment. En outre, l’invention permet donc de réduire la taille de la machine en supprimant cette deuxième chambre de combustion et en la remplaçant par un simple tube de combustion.
Le tube de combustion permet de réinjecter et remettre de la combustion.
Cela est possible pour 2 raisons :
- Les gaz chauds en sortie de la première turbine sont à une température supérieure à la température d’auto-inflammation. Donc pas besoin d’un système d’allumage. Il suffit seulement d’injecter le carburant pour initier la combustion.
- Après la combustion dans la chambre de combustion, nous avons un excès d’air, donc de l’oxygène présent pour assurer la post combustion.
- Les gaz chauds en sortie de la première turbine sont à une température supérieure à la température d’auto-inflammation. Donc pas besoin d’un système d’allumage. Il suffit seulement d’injecter le carburant pour initier la combustion.
- Après la combustion dans la chambre de combustion, nous avons un excès d’air, donc de l’oxygène présent pour assurer la post combustion.
A noter que de point de vue émissions, les gaz en sortie de la chambre de combustion sont de type gaz d’échappement de recirculation EGR (Exhaust Gas Recirculation) et contiennent du CO2et de l’eau (H2O) qui vont permettre de limiter les émissions d’oxydes d’azote NOx.
Ainsi le fait de supprimer la deuxième chambre de combustion et de la remplacer par un simple tube de combustion, permet de réduire la taille de la machine tout en conservant les performances en termes de densité de puissance et de réduction d’émissions.
On pourra ainsi intégrer la machine plus facilement dans un pack batterie arrière d’un véhicule automobile compact, tel qu’une 208TMélectrique par exemple, pour hybrider la batterie et offrir plus d’autonomie à ce véhicule électrique.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine comprend plusieurs buses d’injection pour injecter du carburant à plusieurs points d’un tube de combustion. Cela permet de limiter la formation de NOx en homogénéisant mieux le carburant avec le comburant.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine comprend plusieurs tubes de combustion connectés, chacun, à au moins une buse d’injection.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine a une configuration de type turbine à gaz avec réchauffe. Cela permet d’augmenter le travail net spécifique, en augmentant la surface effective dans un diagramme thermodynamique pression-volume. Cela a pour conséquence, de consommer très peu d’oxygène (O2) dans la chambre de combustion. L’oxygène restant permet ainsi d’augmenter l’efficacité de traitement des gaz CO et HC dans le tube de post combustion. L’invention permet aussi de proposer un moyen très efficace pour réduire tous les polluants à la fois : NOx, CO et HC.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine a une configuration comprenant un récupérateur. L’utilisation du récupérateur permet d’augmenter la température en entrée de la chambre de combustion.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine comprend plusieurs turbocompresseurs, ladite deuxième turbine étant une turbine d’un des turbocompresseurs.
Selon une variante, lesdits turbocompresseurs sont sur différents axes. Cela permet d’avoir un gain d’espace.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine comprend au moins un générateur électrique sur au moins un axe de turbocompresseur. Cela permet d’utiliser les flux des turbocompresseurs pour générer du courant électrique.
L’invention porte en outre sur un procédé de fabrication d’un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
- connecter une arrivée de flux à au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- connecter une chambre de combustion audit compresseur en amont, et à ladite première turbine en aval ;
- connecter un tube de combustion à ladite première turbine en amont et à une deuxième turbine en aval ; et
- connecter au moins une buse d’injection au tube de combustion, pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion.
- connecter une arrivée de flux à au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur et une première turbine ;
- connecter une chambre de combustion audit compresseur en amont, et à ladite première turbine en aval ;
- connecter un tube de combustion à ladite première turbine en amont et à une deuxième turbine en aval ; et
- connecter au moins une buse d’injection au tube de combustion, pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion.
Un autre objet de l’invention concerne un véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine selon l’invention.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine selon une variante ayant une configuration du type à turbine à gaz à réchauffe (ReGT – «Reheat Gas Turbine» en langue anglaise) ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine selon une variante ayant une configuration du type à turbine à gaz à réchauffe et récupérateur (RReGT – «Recuperative Reheat Gas Turbine» en langue anglaise) ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine selon une variante ayant une configuration du type à turbine à gaz à réchauffe et refroidisseur (IReGT – «Intercooler Reheat Gas Turbine» en langue anglaise) ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine selon une variante ayant une configuration du type à turbine à gaz à réchauffe avec refroidisseur et récupérateur (IRReGT – «Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine» en langue anglaise) ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine selon une variante ayant une configuration à deux turbocompresseurs sur des axes séparés avec un générateur électrique sur chaque axe ; et
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine selon une variante ayant une configuration à trois turbocompresseurs sur un même axe.
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L’invention concerne un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile.
Le dispositif de turbomachine comprend au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur C1, une première turbine T1, et au minimum une deuxième turbine T2. Selon la variante considérée, le dispositif peut comprendre plusieurs turbocompresseurs comme illustrés dans les figures 3 à 6. Dans ce cas, plusieurs compresseurs C2, C3 et turbine T3 supplémentaires peuvent être prévus.
Le dispositif de turbomachine comprend en outre une chambre de combustion CC1 connectée audit compresseur C1 en amont et à ladite première turbine T1 en aval. Selon la variante considérée, la chambre de combustion CC1 peut être connectée à un autre compresseur C2 (figures 3 à 5) ou C3 ( ). Elle peut être directement connecté audit compresseur, ou indirectement par l’intermédiaire d’un récupérateur R1.
Le dispositif de turbomachine comprend en outre au moins un tube de combustion CT1 connecté en amont à ladite première turbine T1, et en aval à ladite deuxième turbine T2. En particulier, le tube de combustion CT1 a un volume inférieur ou égal à celui de la chambre de combustion CC1, et de préférence un diamètre supérieur ou égal à celui des canalisations de fluide du dispositif de turbomachine. En outre, comparé à une chambre de combustion CT1, le tube de post combustion ne nécessite pas de système d’allumage à bougie ou autre moyen d’allumage. Il suffit uniquement d’injecter du carburant pour générer la combustion. Avantageusement, cela permet de réduire la complexité de la fonction de réchauffe (« reheat »). On peut prévoir plusieurs tubes de combustion CT1, CT2 associés à plusieurs turbines T2, T3 par exemple comme l’illustre la .
Le dispositif de turbomachine comprend en outre au moins une buse d’injection BI pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion CT1. Le dispositif de turbomachine peut comprendre plusieurs buses d’injection BI pour un tube de combustion CT1. Il peut aussi comprendre plusieurs tubes de combustion CT1 connectés chacun à au moins une buse d’injection BI.
Le dispositif de turbomachine peut comprendre au moins un générateur électrique sur un axe de turbocompresseur.
L’intégration du turbogénérateur d’un véhicule électrique pour hybrider la batterie est complexe de point de vue volume / compacité.
Pour réduire les dimensions des composants, le demandeur a fait le choix de réduire le débit d’air dans une variante. Cela est possible grâce à l’architecture thermodynamique de type IRReGT (Intercooled Recuperative Reheat TurboGenerator) qui permet d’atteindre des densités de puissances deux fois plus élevées qu’avec un simple cycle récupératif (RGT).
Cependant la deuxième chambre de combustion de l’art antérieur, opère à une pression plus faible que la première chambre de combustion CC1. Ainsi, la deuxième chambre présente des volumes plus importants (comparé à la première chambre pressurisée CC1).
Ainsi, le but est de supprimer la deuxième chambre et de la remplacer par un simple tube de post-injection CT1. Ce tube peut être tout simplement un tube dans lequel une buse amenant du carburant est insérée. Le débit de carburant est géré par la pression et un orifice de la buse d’injection BI. La quantité de carburant injectée est réglée pour atteindre la température de combustion souhaitée. L’injection peut se faire en 1 point ou à plusieurs points.
La combustion est possible parce que les gaz en sortie de la première turbine T1 contiennent un excès d’air (donc de l’oxygène) et sont chauds car ils ont une température supérieure à la température d’auto-inflammation.
Le tube de combustion CT1 permet de réduire la taille de la machine en remplaçant la deuxième chambre de combustion par un simple tube ou conduit.
De point de vue émissions, on injecte dans un écoulement contenant 100% de gaz d’échappement de recirculation (EGR - Exhaust Gas Recirculation), à savoir du CO2et de l’eau (H2O) donc on limite la formation d’oxydes d’azote (NOx).
Pour réduire les émissions de polluants (NOx, CO et HC) sur une machine thermique, nous avons besoin d’un catalyseur 3 voies. Ce catalyseur contient un revêtement (« wash-coat » en langue anglaise) que l’on vient imprimer à la surface par de matériaux rares.
Ces matériaux sont le rhodium pour traiter les NOx ; le palladium et le platine pour traiter les autres émissions (CO et HC).
Le traitement des NOx sur un système de turbine à gaz est plus compliqué. En effet, sur ces machines, nous opérons toujours avec un excès d’air (excès d’oxygène, ce qui rend le traitement de NOx compliqué.
Dans une machine à combustion interne - ICE (« internal combustion engine » en langue anglaise), nous avons des catalyseurs 3 voies. La combustion se faisant autour d’une richesse de 1, le contrôleur du moteur va régler la richesse parfois riche, parfois pauvre. Ainsi, il va parfois faire des oxydes d’azotes (NOx) mais aussi un excès d’oxygène (O2), dans le cas d’un réglage pauvre en carburant, qui servira pour réduire les émissions CO et HC. Le contrôleur du moteur fera parfois moins d’oxydes d’azotes (NOx) mais beaucoup d’émissions CO et HC, dans le cas d’un réglage riche en carburant.
Les matériaux rares utilisés sont de moins en moins disponibles, notamment le rhodium qui sert comme catalyseur pour les oxydes d’azotes (NOx). De plus, les normes deviennent de plus en plus sévères, et les émissions de NOx doivent être continuellement réduites. A noter que traiter les CO et HC (en présence d’oxygène O2et de la température) est toujours plus facile que réduire les NOx et beaucoup moins disponibles.
Dans le cas des turbogénérateurs basés sur des cycles turbine à gaz, le système est plus complexe. En effet, la combustion étant continue (et non pas cyclique comparé aux ICE), la température de matériaux doit être limitée. Cela se fait en limitant la température de combustion maximale, et donc via une combustion avec un excès d’air. Une partie de l’air en excès servira à refroidir la température maximale de la chambre de combustion CC1. L’excès d’oxygène (O2) et d’azote (N2) fait en sorte d’absorber la chaleur de limiter ainsi la température maximale.
Si la combustion se fait avec des conditions stœchiométriques (richesse = 1), on va consommer tout l’oxygène (O2) et la température maximale sera par exemple d’environ 2400 K si on utilise de l’essence comme carburant. Cela peut endommager les composants, notamment la chambre de combustion CC1 et la turbine (dépassement de la température de fusion des matériaux). Lorsqu’on brûle avec un excès d’oxygène (O2), la température maximale peut être limitée en fonction de l’excès d’air.
Le fait d’avoir toujours un excès d’oxygène (O2) rend difficile le traitement des oxydes d’azote (NOx) à la source.
Ainsi, il faut trouver une solution pour couper les émissions d’oxydes d’azote (NOx) à la source. Cela impactera les autres émissions (CO et HC). En conséquence, il faut trouver un moyen de réduire les émissions d’oxydes d’azote (NOx), mais aussi les autres émissions (CO et HC).
Pour ce faire on garde une première chambre de combustion CC1 de type diluée (« Mild » en langue anglaise), ou sans flamme (« flamless en langue anglaise) ou d’une autre technologie, qui va initier la combustion et limiter les émissions ; et on met le tube de combustion CT1 à la place de la deuxième chambre de combustion.
Ainsi, le demandeur remplace la deuxième chambre de combustion par un simple tube de combustion (tube qui connecte la sortie de la première turbine à l’entrée de la deuxième turbine). Ce tube est muni de 1 ou 2 ou plusieurs buses d’injection BI permettant d’injecter le carburant avant son entrée dans la deuxième turbine T2. L’injection de carburant va permettre d’assurer la fonctionnalité réchauffe intermédiaire ou « reheat ». Cela permet d’augmenter la densité de puissance comme mentionné précédemment (donc de réduire le débit d’air).
La combustion est possible parce qu’on a :
- Excès d’air donc présence d’oxygène en sortie de la première chambre de combustion CC1 ; et
- Une température élevée (par exemple 750°C en sortie de la première turbine T1). Si la température de combustion dans la première chambre de combustion CC1 est de 950°C, dans la première turbine T1 on va perdre environ 200°C du fait de la détente. Cela dépend aussi de la performance de la turbine T1.
- Excès d’air donc présence d’oxygène en sortie de la première chambre de combustion CC1 ; et
- Une température élevée (par exemple 750°C en sortie de la première turbine T1). Si la température de combustion dans la première chambre de combustion CC1 est de 950°C, dans la première turbine T1 on va perdre environ 200°C du fait de la détente. Cela dépend aussi de la performance de la turbine T1.
On a les bonnes conditions pour assurer une auto-inflammation et brûler le carburant.
On peut maitriser aussi les émissions (NOx, CO et HC). Cela est possible car dans la première chambre de combustion CC1 on pourra effectuer un réglage optimisé des oxydes d’azote (NOx).
Il est connu, qu’une combustion type riche permet de réduire les émissions d’oxydes d’azote (NOx). En effet, nous serons dans des conditions où la combustion va consommer toute l’oxygène disponible et donc il n’y aura pas d’oxygène qui reste pour réagir avec l’azote pour former des oxydes d’azote NOx, à savoir N2O, NO, NO2, formés lorsque la molécule d’azote rencontre une molécule d’oxygène à haute température selon le diagramme de Pischinger (dans deux conditions : de haute température et de présence d’azote et d’oxygène)
Ainsi, en utilisant un tube de combustion CT1, on injecte dans des gaz 100% EGR et on limite ainsi les NOx.
En sortie de la première chambre de combustion CC1, les deux fluides (gaz d’échappement et air frais) se mélangent. Les gaz d’échappement contiennent très peu d’oxydes d’azote, mais surtout des produits de combustion : eau, CO2, CO et HC.
Les CO et HC se forment suite à une combustion incomplète (manque d’oxygène).
Quand les deux fluides se mélangent, on aura un mélange avec peu d’oxydes d’azote (molécule stable), des CO, HC, CO2, H2O, N2et O2présent dans l’air frais.
Le nouveau mélange entre dans la première turbine T1 où il effectue une première détente. Ensuite, en sortie de la première turbine T1, on va passer cette fois dans le tube de combustion CT1.
Dans le tube de combustion CT1, tout le débit passe à l’intérieur pour participer à la combustion.
Sachant qu’on a un mélange avec des molécules triatomiques (CO2, H2O), donc nous avons 100% de gaz d’échappement de recirculation (EGR - Exhaust Gas Recirculation - technologie utilisée dans les moteurs diesel pour réduire les NOx), ces molécules triatomiques, possèdent une chaleur spécifique (généralement notée Cp) plus importante, donc elles vont absorber la chaleur et baisser la température après une seconde combustion. Ainsi, il sera possible d’effectuer une deuxième combustion naturellement avec très peu d’oxydes d’azote (NOx).
Vu qu’il reste un excès d’oxygène (O2), les CO et HC vont brûler avec cet excès d’oxygène et seront naturellement réduit.
Ainsi, ce couplage entre chambre de combustion CC1 (première chambre de combustion / ou chambre de combustion HP Haute Pression) et tube de combustion CT1 (combustion BP Basse Pression) permet de réduire à la fois les émissions NOx, CO et HC de la machine.
Dans un cycle turbine à gaz avec réchauffe type ReGT (Reheat Gas Turbine) ou IReGT (Intercooled Reheat Gas Turbine) ou RReGT (Recuperative Reheat Gas Turbine) ou bien IRReGT (Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine), les deuxièmes chambres de combustion peuvent aussi être replacées comme illustrées dans les figures. Le process de réchauffe permet d’augmenter le travail net spécifique (d’augmenter la surface effective dans le diagramme thermodynamique pression-volume).
A noter que ce process est plus performant avec les cycles utilisant le récupérateur R1 (RReGT, IReGT et IRReGT). En effet, l’utilisation du récupérateur permet d’augmenter la température en entrée de la première chambre de combustion CC1. Cela a pour conséquence, de consommer très peu d’oxygène (O2) dans la première chambre de combustion CC1. L’oxygène restant permet ainsi d’augmenter l’efficacité de traitement des CO et HC dans le tube de combustion CT1.
L’invention permet aussi de proposer un moyen très efficace pour réduire tous les polluants à la fois : NOx, CO et HC.
Comparé aux solutions connues, l’invention permet de réduire la taille du turbogénérateur en supprimant la deuxième chambre de combustion et en la remplaçant par un tube de combustion CT1, tout en conservant la densité de puissance en conservant la fonctionnalité réchauffe intermédiaire entre turbines T1, T2.
Le système proposé permet aussi de faciliter la fabrication de la machine. En effet, une deuxième chambre de combustion avec des injecteurs et des allumeurs est plus complexe qu’un simple tube de combustion CT1 muni d’une simple buse d’injection BI (ou plusieurs buses).
L’invention permet de réduire les émissions d’oxydes d’azote NOx à la source, et de réduire aussi les émissions de CO et HC en bénéficiant de l’oxygène existant en sortie de la première chambre de combustion CC1.
Ainsi les avantages sont les suivants :
- Réduction masse système ;
- Réduction volume système ;
- Amélioration compacité (car on peut concevoir le tube de combustion CT1 comme on veut / sous contrainte d’intégration et de volume fonctionnel donné, ce qui ne serait pas le cas si on avait une deuxième chambre de combustion) ;
- Réduction des émissions de NOx ;
- Facilitation de la fabrication car pas besoin de catalyseur pour traiter les NOx, CO et HC. En effet, les systèmes basés sur des cycles turbines à gaz sont connus pour émettre très peu de CO, HC et suies, par contre ils ont la problématique de formation de NOx du fait de l’excès d’air durant la combustion ; en outre les matériaux utilisés pour réduire le NOx sont les plus rares, notamment le rhodium ;
- Réduction des émissions de CO et HC plus efficacement, étant donné qu’il reste toujours de l’air frais et qu’on utilisera le tube de combustion CT1 pour les oxyder dans la deuxième combustion.
- Réduction masse système ;
- Réduction volume système ;
- Amélioration compacité (car on peut concevoir le tube de combustion CT1 comme on veut / sous contrainte d’intégration et de volume fonctionnel donné, ce qui ne serait pas le cas si on avait une deuxième chambre de combustion) ;
- Réduction des émissions de NOx ;
- Facilitation de la fabrication car pas besoin de catalyseur pour traiter les NOx, CO et HC. En effet, les systèmes basés sur des cycles turbines à gaz sont connus pour émettre très peu de CO, HC et suies, par contre ils ont la problématique de formation de NOx du fait de l’excès d’air durant la combustion ; en outre les matériaux utilisés pour réduire le NOx sont les plus rares, notamment le rhodium ;
- Réduction des émissions de CO et HC plus efficacement, étant donné qu’il reste toujours de l’air frais et qu’on utilisera le tube de combustion CT1 pour les oxyder dans la deuxième combustion.
Les différentes variantes et les détails sont présentés dans les figures.
Dans le système proposé, les technologies de chambres de combustion CC1 peuvent être différentes, notamment de type dilué, sans flamme, catalytique ou autre.
La technologie des turbomachines peut être différentes, majoritairement radiale, mais on peut cibler aussi les technologies axiales ou des technologies autres que radiales et axiales : par exemple : à piston, à spirale (scroll), à vis, etc.
C’est l’architecture thermodynamique qui reste la cible première de l’invention, ainsi que le remplacement de la deuxième chambre de combustion par un tube de combustion CT1 qui permet de réduire la complexité tout en conservant les fonctionnalités.
Par ailleurs, que cette invention est compatible avec toutes les chaines de traction conventionnelles, hybride, MHEV (hybride léger) et SHEV (hybride de série). Par contre l’idéal serait de l’utiliser en SHEV ou REEV (extension d’autonomie - Range Extender Electric Vehicle) où le turbogénérateur opère sur un point de fonctionnement fixe, donc la dépollution devient plus simple.
En outre, dans le tube de combustion CT1 on peut utiliser 1, 2 ou plusieurs buses d’injection BI. Ces buses seront positionnées à différents endroits dans l’écoulement. La position dépend d’un calcul de combustion qui dépend de plusieurs paramètres : compositions des gaz, vitesse des gaz, pression, température, débit massique, géométrie, etc.
De plus les turbomachines peuvent être sur même axe ou sur différents axes, comme l’illustre la . Par exemple le cas de la configuration IRReGT de la .
Par ailleurs, le système de post combustion proposé sera bénéfique aussi pour une machine à trois étages comme l’illustre la . Dans cette machine, on peut à iso-débit d’air, augmenter encore la puissance en ajoutant seulement un étage de turbomachines T3, C3 et sans modifier le récupérateur R1. Les tubes de combustion CT1, CT2 permettent ainsi d’améliorer la densité de puissance en conservant le même récupérateur R1.
L’invention décrit un système de turbogénérateur (ou prolongateur d’autonomie pour véhicule électrique) permettant de réduire le volume, la masse et le coût du système.
Un autre objet de l’invention a trait à un véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine tel que décrit précédemment. Il s’agit en particulier d’un véhicule à moteur de traction électrique ou de type hybride.
Le turbogénérateur est un moyen d’hybrider la batterie d’un véhicule électrique. Le but étant de proposer un véhicule avec toutes les prestations d’un véhicule électrique (faible maintenance, pas de bruit, pas de vibrations, aisance à conduire, etc.) mais à faible impact environnemental (utilisant des bio-fuels ou e-fuel produits avec l’énergie renouvelable comme l’hydrogène H2 ou l’ammoniac NH3, et ne nécessitant aucun matériau rare).
L’invention concerne en outre un procédé de fabrication du dispositif de turbomachine. Le procédé de fabrication comprend une étape pour connecter une arrivée de flux à au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur C1, et optionnellement C2 et/ou C3 selon la variante considérée, et une première turbine T1.
Le procédé de fabrication comprend en outre une étape pour connecter une chambre de combustion CC1 audit compresseur C1 en amont et à ladite première turbine T1 en aval.
Le procédé de fabrication comprend en outre une étape pour connecter un tube de combustion CT1 à ladite première turbine T1 en amont et à une deuxième turbine T2 en aval.
Le procédé de fabrication comprend en outre une étape pour connecter au moins une buse d’injection BI au tube de combustion CT1, pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion CT1. Le dispositif est ensuite monté pour être utilisé de préférence dans un véhicule automobile.
Claims (10)
- Dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, comprenant
- au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur (C1, C2, C3) et une première turbine (T1) ;
- une chambre de combustion (CC1) connectée audit compresseur (C1, C2) en amont et à ladite première turbine (T1) en aval ;
- au moins une deuxième turbine (T2, T3) ;
caractérisé en ce que le dispositif de turbomachine comprend en outre
- au moins un tube de combustion (CT1) connecté en aval de ladite première turbine (T1), et en amont de ladite deuxième turbine (T2) ;et
- au moins une buse d’injection (BI) pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion (CT1). - Dispositif de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs buses d’injection (BI) pour injecter du carburant à plusieurs points d’un tube de combustion (CT1).
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs tubes de combustion (CT1, CT2) connectés, chacun, à au moins une buse d’injection (BI).
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il a une configuration de type turbine à gaz avec réchauffe.
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il a une configuration comprenant un récupérateur (R1).
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs turbocompresseurs, ladite deuxième turbine (T2, T3) étant une turbine d’un des turbocompresseurs.
- Dispositif de turbomachine selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits turbocompresseurs sont sur différents axes.
- Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un générateur électrique (EG1, EG2) sur au moins un axe de turbocompresseur.
- Procédé de fabrication d’un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
- connecter une arrivée de flux à au moins un turbocompresseur comprenant un compresseur (C1, C2, C3) et une première turbine (T1) ;
- connecter une chambre de combustion (CC1) audit compresseur (C1, C2) en amont et à ladite première turbine (T1) en aval ;
- connecter un tube de combustion (CT1) à ladite première turbine (T1) en amont et à une deuxième turbine (T2) en aval ; et
- connecter au moins une buse d’injection (BI) au tube de combustion (CT1), pour injecter du carburant directement dans le tube de combustion (CT1). - Véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
Priority Applications (1)
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| FR2200449A FR3131941A1 (fr) | 2022-01-19 | 2022-01-19 | Dispositif de turbomachine a tube de combustion comportant des buses d’injection de carburant et vehicule comprenant un tel dispositif |
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| FR2200449A FR3131941A1 (fr) | 2022-01-19 | 2022-01-19 | Dispositif de turbomachine a tube de combustion comportant des buses d’injection de carburant et vehicule comprenant un tel dispositif |
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| FR3131941A1 true FR3131941A1 (fr) | 2023-07-21 |
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| FR (1) | FR3131941A1 (fr) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6606864B2 (en) * | 2001-02-13 | 2003-08-19 | Robin Mackay | Advanced multi pressure mode gas turbine |
| US9534541B2 (en) * | 2013-10-11 | 2017-01-03 | General Electric Company | System and method for improving efficiency of a gas turbine engine |
| US9624830B2 (en) * | 2013-08-08 | 2017-04-18 | General Electric Technology Gmbh | Gas turbine with improved part load emissions behavior |
| FR3087486A1 (fr) * | 2018-10-18 | 2020-04-24 | Psa Automobiles Sa | Ensemble combinant une turbine a gaz et un cycle a fluide caloporteur |
| FR3095008A1 (fr) * | 2019-04-12 | 2020-10-16 | Psa Automobiles Sa | Ensemble comprenant deux compresseurs radiaux et deux turbines radiales |
-
2022
- 2022-01-19 FR FR2200449A patent/FR3131941A1/fr active Pending
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