FR3137712A1

FR3137712A1 - Procédé et système de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine

Info

Publication number: FR3137712A1
Application number: FR2206817A
Authority: FR
Inventors: Vijeay PATEL; Mostafa BENBOUDA; Pierre Marie MULHEIM; Martine PALOMBA Camille Maryse; Pierre MALLAT-DESMORTIERS Jean-Philippe Bruno
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2024-01-12

Abstract

Procédé et système de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine Un aspect de l’invention concerne un procédé de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine (10) d’aéronef, comportant : une opération d’installation d’au moins un module thermoélectrique (100) dans une zone de la turbomachine (13, 17, 20) où ont lieu des échanges thermiques, le module thermoélectrique (100) produisant une énergie électrique par effet Seebeck entre deux faces (110, 120) dudit module thermoélectrique soumises à des températures différentes ; etune opération de récupération de l’énergie électrique produite par le module thermoélectrique (100). Un autre aspect de l’invention concerne un système de mise en œuvre du procédé, comportant au moins un module thermoélectrique (100) comprenant au moins : une première plaque thermoélectrique (110) positionnée dans une zone chaude,une deuxième plaque thermoélectrique (120) positionnée dans une zone froide, etun bloc semi-conducteur (130) installé entre la première et la deuxième plaques thermoélectriques. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3

Description

Procédé et système de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un procédé pour générer une énergie électrique au sein d’une turbomachine d’aéronef. Elle concerne également un système de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine d’aéronef.

L’invention trouve des applications dans le domaine de l’aéronautique et, particulier, dans le domaine de la propulsion aérodynamique.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Une turbomachine, en particulier un turboréacteur, est un système de propulsion qui transforme, en énergie cinétique, le potentiel d'énergie chimique contenu dans un carburant et associé à un comburant tel que l'air ambiant. Cette énergie cinétique permet de générer une force de réaction en milieu compressible dans le sens opposé à l'éjection. Un exemple schématique d’une turbomachine à double flux est représenté sur la . Cette turbomachine 10 comporte une soufflante 11 destinée à aspirer un flux d’air. Ce flux d’air se divise, en aval de la soufflante 11, en un flux d’air primaire Fp, ou flux principal, qui circule au cœur de la turbomachine dans une veine primaire 18 et un flux d’air secondaire Fs qui circule dans une veine secondaire 19, concentrique à la veine primaire. Dans la veine primaire 18, le flux d’air Fp traverse, d’amont en aval, un compresseur basse pression (BP) 13, un compresseur haute pression (HP) 14, une chambre de combustion 14, une turbine HP 15, une turbine BP 16 et une tuyère 17. Les compresseurs BP et HP assurent une compression du flux d’air Fp, envoyé ensuite vers la chambre de combustion 14 où le flux d’air comprimé est mélangé à du kérozène pour obtenir la combustion. Les turbines HP et BP détendent ensuite les gaz de compression pour récupérer l’énergie cinétique et entrainer les compresseurs.

Depuis de nombreuses années, des améliorations sont apportées aux turbomachines et des technologies nouvelles voient le jour dans le but, d’une part, de réduire la consommation en carburant des turbomachines et, d’autre part, de diminuer leur empreinte environnementale et, en particulier, les émissions de gaz à effet de serre, les oxydes d’azote (Nox) et le bruit.

L’une des nouvelles technologies implantées consiste, par exemple, en l’utilisation de nouveaux matériaux, comme les composites à tissage 3D pour les Aubes de soufflante (ou aubes Fan) ou les composites à Matrice Céramique (CMC) pour les anneaux. L’utilisation de ces nouveaux matériaux permet notamment de réaliser un moteur tenant mieux les températures extrêmes.

Une autre de ces nouvelles technologies consiste à implanter de nombreux échangeurs thermiques dans le but de refroidir l’huile du moteur et réchauffer le kérosène pour évaporer les particules de givre avant envoi dans la chambre de combustion.

Il résulte des toutes ces améliorations et nouvelles technologies qu’il existe, sur les moteurs, de plus en plus de zones soumises à de hautes températures, appelées zones chaudes, qui permettent un échange thermique. Or, jusqu’à présent ces échanges thermiques représentent une perte d’énergie.

Il existe donc un réel besoin d’une technique permettant d’utiliser l’énergie engendrée lors des échanges thermiques afin que cette énergie ne soit pas perdue.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus d’énergie perdue lors des échanges thermiques, le demandeur propose d’installer un ou plusieurs modules thermoélectriques dans les zones d’échanges thermiques afin de récupérer, sous la forme d’une énergie électrique, l’énergie générée par ces échanges thermiques.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine d’aéronef, comportant :

une opération d’installation d’au moins un module thermoélectrique dans une zone de la turbomachine où ont lieu des échanges thermiques, le module thermoélectrique produisant une énergie électrique par effet Seebeck entre deux faces dudit module thermoélectrique soumises à des températures différentes ; et
une opération de récupération de l’énergie électrique produite par le module thermoélectrique.

Ce procédé permet de transformer l’énergie générée par l’échange thermique en une énergie électrique utilisable, directement ou ultérieurement, par l’aéronef. Il permet ainsi de valoriser les énergies perdues, de réduire les coûts de fonctionnement de l’aéronef en réduisant les dépenses liées à la production d’électricité, d’améliorer le rendement de l’ensemble propulsif en récupérant l’énergie dissipée par les moteurs et de réduire l’empreinte carbone.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de génération d’une énergie électrique selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

l’énergie électrique récupérée est stockée dans un dispositif de stockage électrique.
l’énergie électrique récupérée est conduite vers un dispositif électrique de l’aéronef.

Un deuxième aspect de l’invention concerne un système de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine d’aéronef, mettant en œuvre le procédé tel que défini ci-dessus, ledit système comportant au moins un module thermoélectrique comprenant au moins :

une première plaque thermoélectrique positionnée dans une zone chaude,
une deuxième plaque thermoélectrique positionnée en regard de la première plaque, dans une zone froide, et
un bloc semi-conducteur installé entre la première et la deuxième plaques thermoélectriques.

Ce système, qui se présente sous la forme d’un élément peu épais, offre l’avantage d’être facile à positionner sur une pièce ou une paroi de l’aéronef, à proximité de la zone où a lieu l’échange thermique. Il offre également tous les avantages énergétiques, financiers et écologiques cités précédemment pour le procédé de l’invention.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le système selon le deuxième aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

le bloc semi-conducteur est relié par un câblage électrique à un dispositif de stockage électrique et/ou un dispositif électrique de l’aéronef.
le module thermoélectrique est positionné au voisinage d’un échangeur air-huile surfacique, dans un compartiment inter-veines de la turbomachine.
le module thermoélectrique est positionné dans une paroi d’une zone d’échanges thermiques de la turbomachine et constitue au moins en partie une portion de cette paroi.
la paroi est un carénage ou un carter de soufflante, de compresseur, de turbine ou de tuyère de la turbomachine.
le module thermoélectrique est positionné au voisinage d’une vanne de contrôle du flux d’air primaire vers le flux d’air secondaire.
il comporte plusieurs modules thermoélectriques positionnés les uns à côté des autres et formant un panneau thermoélectrique

Un troisième aspect de l’invention concerne une turbomachine d’aéronef, caractérisé en ce qu’elle comporte un système de génération d’une énergie électrique selon l’invention.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :

La , déjà décrite, représente une vue schématique d’une turbomachine à double flux avec ses différents étages ;

La représente une vue en perspective, en coupe partielle, d’un exemple de module thermoélectrique utilisé dans le procédé et le système de l’invention ;

La représente une vue en perspective d’un premier exemple d’implantation du système selon l’invention ;

La représente une vue schématique en coupe d’exemples de carters et carénage dans lesquels le système selon l’invention peut être implanté ;

La et la représentent des vues en perspective et en coupe d’un autre exemple de carénage où peut être implanté le système selon l’invention ;

La représente une vue en perspective d’un exemple de tuyère sur laquelle est implanté le système selon l’invention ;

La représente une vue en perspective d’un exemple de compresseur HP sur lequel peut être implanté le système selon l’invention ; et

La représente, selon des vues schématiques, un exemple de grille de décharge intégrant le système selon l’invention, comparé à un exemple de grille de décharge actuelle.

DESCRIPTION DETAILLEE

Un exemple de réalisation d’un procédé pour générer une énergie électrique au sein d’une turbomachine, et d’un système mettant en œuvre ce procédé, sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.

Le procédé selon l’invention propose de générer une énergie électrique au sein de la turbomachine, dans une zone d’échange thermique. Pour cela, le procédé comporte une opération d’installation d’un ou plusieurs module(s) thermoélectrique(s) dans une ou plusieurs des zones de la turbomachine où ont lieu des échanges thermiques. Le module thermoélectrique, qui sera décrit en détail par la suite, est un dispositif qui utilise le phénomène physique connu sous le nom d’effet Seebeck pour générer une énergie électrique à partir d’une différence de température subie par ledit dispositif.

L’énergie électrique générée par le module thermoélectrique est récupérée et stockée dans un dispositif de stockage électrique, par exemple dans des batteries, pour une utilisation ultérieure. En alternative, l’énergie électrique générée par le module thermoélectrique peut être transmise vers un ou plusieurs dispositifs nécessitant une alimentation électrique ; elle peut, par exemple, être utilisée pour alimenter électriquement les instruments de vol ou les actionneurs électriques de l’aéronef. En effet, en plus d’être d’un système propulsif, la turbomachine a aussi une fonction de générateur en fournissant l’aéronef en électricité. L’invention permet donc d’améliorer cette fonction de fourniture d’électricité en transformant les pertes énergétiques en énergie électrique.

Le procédé de l’invention peut également être utilisé pour récupérer de l’énergie lors du refroidissement du moteur (qui peut durer 2 heures ou plus) et, ainsi, permettre un fonctionnement au sol et/ou un redémarrage électrique du moteur de manière autonome, sans surcoût et sans empreinte carbone.

Le procédé de l’invention peut être mis en œuvre par un système de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine. Ce système comporte un module thermoélectrique ou plusieurs modules thermoélectriques identiques, positionnés les uns à côté des autres de sorte à former un panneau thermoélectrique. Le fonctionnement d’un module thermoélectrique va être décrit en référence à la , étant entendu que lorsque plusieurs modules thermoélectriques sont associés, le fonctionnement du panneau thermoélectrique formé par ces modules est similaire à celui de la .

Un exemple d’un module thermoélectrique 100 du système de l’invention est représenté sur la . Ce module thermoélectrique 100 comporte deux plaques thermoélectriques 110, 120 positionnées en regard l’une de l’autre et séparées par un bloc semi-conducteur 130. L’une des plaques thermoélectrique 110 est une plaque dite « chaude », positionnée dans une zone chaude de la turbomachine, par exemple en contact avec une pièce chaude ou un flux de fluide chaud. Cette plaque chaude forme la première face du module thermoélectrique 100. L’autre plaque thermoélectrique 120 est une plaque dite « froide », positionnée dans une zone froide, par exemple en contact avec une pièce froide ou un flux de fluide froid. Cette plaque froide forme la seconde face du module thermoélectrique 100. Les plaques froide 120 et chaude 110 sont des plaques en céramique ou en métal, ou en tout autre matériau capable de supporter des températures extrêmes pouvant dépasser les 1000°C (pour la plaque chaude) et les – 40°C voire -60°C (pour la plaque froide). La plaque chaude 110 et la plaque froide 120 sont de préférence réalisées dans un même matériau. Alternativement, elles peuvent être réalisées dans des matériaux différents à condition de prendre en compte les risques de dilatation de chacun des matériaux ; dans ce cas, un jeu entre deux modules thermoélectriques 100 peut être prévu (au moins au niveau des plaques chaudes desdits modules) pour permettre une dilatation sans risque d’interférence entre les modules.

Le bloc semi-conducteur 130 est un ensemble de composants semi-conducteurs 131, 132 dont certains sont de type P et d’autres de type N. Chaque composant semi-conducteur de type P 131 est couplé avec un composant semi-conducteur de type N 132 au moyen d’un élément conducteur 133, par exemple en cuivre pour former un module NP. Tous les modules NP du bloc semi-conducteur 130 sont connectés les uns aux autres et positionnés les uns à côté des autres sous la forme d’une matrice formant une couche inter-plaques.

Le gradient de température ΔT, créé par la différence des températures auxquelles sont soumises les plaques chaude 120 et froide 110, engendre un courant de charge dans une direction parallèle audit gradient de température. Ce courant de charge, ou énergie électrique, est ensuite transporté par des liaisons électriques 140 connectées en entrée et en sortie du bloc semi-conducteur 130. Ces liaisons électriques 140 assurent le transport de l’énergie électrique vers un dispositif de stockage ou un dispositif électrique de l’aéronef (non représentés sur la figure).

Qu’il comporte un seul module thermoélectrique ou plusieurs, le système selon l’invention est positionné(s) dans une zone où ont lieux des échanges thermiques, appelée zone d’échanges thermiques. Diverses zones d’échanges thermiques peuvent être envisagées dans une turbomachine. Plusieurs exemples de ces zones d’échanges thermiques sont représentés sur les figures 3 à 9. Quelle que soit la zone choisie, la plaque chaude 110 du module thermoélectrique 100 est placée dans un flux de fluide chaud et la plaque froide 120 est placée dans un flux de fluide froid.

La représente un mode de réalisation dans lequel le système de l’invention est positionné dans une zone inter-veines, au niveau d’un échangeur de chaleur air-huile surfacique 20, appelé SACOC pour « Surface Air-Cooled Oil-Cooler » en terminologie anglo-saxonne. En effet, un échangeur SACOC comprend généralement une paroi annulaire, s’étendant autour de l’axe longitudinal AA de la turbomachine, par l’intermédiaire de laquelle l’huile transmet de la chaleur à des ailettes s’étendant radialement depuis la paroi annulaire à l’intérieur de la veine secondaire et axialement, d’amont en aval. Le SACOC 20 est donc une zone d’échanges thermiques pouvant recevoir un (ou plusieurs) module thermoélectrique 100. Dans l’exemple de la , le module thermoélectrique 100 est positionné sur une ailette du SACOC 20 ; il peut également être positionné sous un bloc d’ailettes, sur la paroi annulaire. La plaque chaude du module thermoélectrique 100 est alors en contact avec l’ailette 20a chauffée par l’huile dont la température peut atteindre environ 100°C ; la plaque froide du module thermoélectrique est en contact avec le flux d’air de refroidissement de la veine secondaire 19 dont la température, en altitude, peut atteindre environ -40°C.

Dans certains modes de réalisation, le (ou les) module thermoélectrique du système de l’invention peut être inséré dans un carter ou un carénage de la turbomachine. Le module thermoélectrique peut alors se substituer à un élément d’un carénage ou d’un carter formant un cloisonnement interne ou externe entre des flux de fluide. La montre plusieurs exemples de carters ou carénages au sein desquels le système selon l’invention peut être installé, chaque emplacement fournissant des échanges de températures différents mais toujours intéressants :

carénage 11a de la soufflante 11
carénage 12a ou 13a du compresseur, respectivement, basse pression 12 ou haute pression 13,
carénage 15a ou 16a de la turbine, respectivement, basse pression ou haute pression,
carénage 17a de la tuyère 17.

Dans tous les carénages ou carters de la , le module thermoélectrique 100 est positionné de sorte que sa plaque chaude soit en contact avec le flux d’air primaire Fp et sa plaque froide en contact avec le flux d’air secondaire Fs.

Un exemple d’un module thermoélectrique 100 intégré dans le carénage d’une turbine basse-pression 16, autour du circuit LPTACC (pour « Low Pressure Turbine Active Clearance Control » en terminologie anglo-saxonne), est représenté sur les figures 5A et 5B. Dans cet exemple, le carénage autour du circuit LPTACC comporte un ensemble de modules thermoélectriques 100 formant une paroi entre le circuit logique de contrôle de refroidissement actif ACC de la turbine basse pression et le flux d’air froid de la veine secondaire 19 de sorte à profiter de la circulation forcée d’air ayant servi à prélever des calories du carter. Les calories prélevées au carter dans cette zone sont ainsi exploitées en bénéficiant de l’effet de convection forcée liée au débit d’air fourni par la logique de contrôle de refroidissement actif ACC.

Un exemple d’un module thermoélectrique 100 intégré dans le carénage 17a de la tuyère externe 17 est représenté sur la . Dans cet exemple, plusieurs modules thermoélectriques 100 formant un panneau thermoélectrique sont insérés dans le carénage 17a, en remplacement d’éléments dudit carénage. Dans cet exemple, les plaques chaudes des modules thermoélectriques sont en contact avec un élément de la tuyère réchauffé par le flux d’air primaire et les plaques froides sont refroidies par l’air ambiant de l’extérieur. Un câblage électrique 150 relie les modules en parallèle les uns aux autres et transporte l’énergie électrique produite vers un dispositif de stockage ou un dispositif électrique. Ce câblage électrique 150 est cimenté sur la paroi externe de la tuyère. Bien que seulement quelques modules thermoélectriques du système de l’invention sont représentés sur la , le système pourrait être appliqué sur toute la circonférence de la tuyère de la même façon.

Un exemple de modules thermoélectriques 100 intégrés dans les grilles de décharge 13b du compresseur HP 13 est représenté sur la . Dans cet exemple, le procédé utilise les prélèvements de décharge du compresseur HP par les vannes TBV (pour « Transient Bleed Valve » en terminologie anglo-saxonne) pour générer de l’énergie électrique. Les vannes TBV permettent de contrôler le débit du flux d’air en faisant passer de l’air du flux primaire vers le flux secondaire. Il existe donc, au voisinage de cette vanne, un gradient de température entre l’air chaud du flux primaire et l’air froid du flux secondaire. Un ou plusieurs modules thermoélectriques 100 du système de l’invention peuvent donc être positionnés en sortie du prélèvement d’air, afin de profiter du gradient thermique entre l’air prélevé du flux primaire et l’air du flux secondaire. Dans cet exemple, les grilles de décharge classiques sont remplacées par des ensembles associant une grille 13b et un module thermoélectrique 100, le module étant positionné en amont de ladite grille. Dans cet exemple, le conduit d’air doit être modifié de sorte à entraîner le flux d’air vers le module thermoélectrique 100 avant d’atteindre la grille 13b. La montre, de façon schématique, une comparaison des flux d’air dans le cas d’un compresseur HP équipé de grilles classiques (dessin A) et dans le cas d’un compresseur HP équipé de l’ensemble grille et module thermoélectrique de l’invention (dessin B).

Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le procédé et le système de génération d’énergie électrique selon l’invention comprennent divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims

Procédé de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine (10) d’aéronef, comportant :
une opération d’installation d’au moins un module thermoélectrique (100) dans une zone de la turbomachine (13, 17, 20) où ont lieu des échanges thermiques, le module thermoélectrique (100) produisant une énergie électrique par effet Seebeck entre deux faces (110, 120) dudit module thermoélectrique soumises à des températures différentes ; et

une opération de récupération de l’énergie électrique produite par le module thermoélectrique (100).
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’énergie électrique récupérée est stockée dans un dispositif de stockage électrique.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’énergie électrique récupérée est conduite vers un dispositif électrique de l’aéronef.
Système de génération d’une énergie électrique au sein d’une turbomachine (10) d’aéronef, mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ledit système comportant au moins un module thermoélectrique (100) installé dans une zone de la turbomachine (13, 17, 20) où ont lieu des échanges thermiques et comprenant au moins :
une première plaque thermoélectrique (110) positionnée dans une zone chaude,

une deuxième plaque thermoélectrique (120) positionnée, en regard de la première plaque, dans une zone froide, et

un bloc semi-conducteur (130) installé entre la première et la deuxième plaques thermoélectriques.
Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bloc semi-conducteur (130) est relié par une liaison électrique (140) à un dispositif de stockage électrique et/ou un dispositif électrique de l’aéronef.
Système selon l’une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que le module thermoélectrique (100) est positionné au voisinage d’un échangeur air-huile surfacique (20), dans un compartiment inter-veines de la turbomachine.
Système selon l’une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que le module thermoélectrique (100) est positionné dans une paroi (11a, 12a, 13a, 15a, 16a, 17a) d’une zone d’échanges thermiques de la turbomachine et constitue au moins en partie une portion de ladite paroi.
Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paroi est un carénage ou un carter de soufflante (11a), de compresseur (12a, 13a), de turbine (15a, 16a) ou de tuyère (17a) de la turbomachine.
Système selon l’une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que le module thermoélectrique (100) est positionné au voisinage d’une vanne (TBV) de contrôle du flux d’air primaire (Fp) vers le flux d’air secondaire (Fs).
Système selon l’une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu’il comporte plusieurs modules thermoélectriques (100) positionnés les uns à côté des autres et formant un panneau thermoélectrique.
Turbomachine (10) d’aéronef, caractérisé en ce qu’elle comporte un système de génération d’une énergie électrique selon l’une quelconque des revendications 4 à 10.