WO2016131917A1 - Moteur thermoacoustique - Google Patents

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WO2016131917A1
WO2016131917A1 PCT/EP2016/053453 EP2016053453W WO2016131917A1 WO 2016131917 A1 WO2016131917 A1 WO 2016131917A1 EP 2016053453 W EP2016053453 W EP 2016053453W WO 2016131917 A1 WO2016131917 A1 WO 2016131917A1
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WO
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fuel
heat
engine
turbine
generator
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/053453
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Inventor
Jean-François GENESTE
Maurice-Xavier FRANÇOIS
Original Assignee
Airbus Group Sas
Hekyom
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10—Closed cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/023—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines the working-fluid being divided into several separate flows ; several separate fluid flows being united in a single flow; the machine or engine having provision for two or more different possible fluid flow paths
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    • F01D1/04—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially axially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02C6/206—Adaptations of gas-turbine plants for driving vehicles the vehicles being airscrew driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
    • F02G2243/50—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders having resonance tubes
    • F02G2243/54—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders having resonance tubes thermo-acoustic
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the field of converting heat energy into mechanical energy.
  • the invention relates to an engine in which a quantity of heat is converted into mechanical energy by the implementation of a thermodynamic cycle of the Stirling type.
  • the engines of the Stirling engine family are characterized by a transfer of thermal energy between a hot source and a cold source external to the engine itself which implements a working gas maintained in a closed circuit in the engine.
  • the working gas is moved between the hot source and the cold source by a displacer piston, the work produced being applied to a working piston.
  • This architecture has been applied, at least experimentally, to engines delivering the power in mechanical form on a rotating shaft of a piston-connecting rod-crank system or to engines delivering the power in electrical form by incorporating magnetic assemblies, cores to pistons and coils to engine structures.
  • thermo-acoustic a schematic representation of which is shown in FIG. 1
  • a thermoacoustic cell 10 is arranged between an acoustic wave generator 20 and a converter 30 of the acoustic wave in usable energy.
  • the thermoacoustic cell which exchanges the amount of heat between the working gas contained in the chamber 40 and the hot source 13 on the one hand and the cold source 14 on the other hand, amplifies the acoustic energy of the working gas subject to an appropriate choice of device dimensions and acoustic frequencies used to produce an acoustic wave with the appropriate characteristics.
  • thermoacoustic motor of the present invention provides a solution to improve the overall efficiency of the engine, that is to say the usable mechanical work actually delivered by the engine with respect to the theoretical maximum of the thermodynamic cycle.
  • the thermoacoustic motor comprises, in an enclosure containing a working gas and arranged to propagate a progressive acoustic wave, a generator of an acoustic wave, a thermoacoustic cell comprising at least one module, amplifying a power of the acoustic wave produced by the generator, and a converter converting the amplified acoustic wave into mechanical power.
  • thermoacoustic cell comprises at an input of the at least one module of the cell, on the generator side, at least one cooler stage for transferring a quantity of heat from the working gas to a cold source and comprises at the level of an outlet of the at least one module of said cell, on the converter side, at least one heating stage for transferring a quantity of heat from a hot source to the working gas.
  • the converter comprises mainly a turbine traversed by the amplified acoustic wave providing energy to drive the turbine in rotation, said turbine driving a rotation shaft whose one end sealingly passes through the working gas a wall of the enclosure .
  • thermo-acoustic engine implementing a cycle Stirling thermodynamics in which mechanical power is produced directly on a rotating shaft without conversion of a reciprocating piston displacement in rotational motion by a crankshaft connecting rod assembly or by conversion into electrical energy. This results in improved overall engine performance and simplified design.
  • the turbine is preferably an axial turbine, comprising one or more rotors R comprising blades and one or more stators S comprising vanes, whose rotor blades and stator vanes are arranged so that the turbine is rotated in a same direction of rotation for the two directions of movement of molecules of the working gas passing through the turbine in a direction of the axis of the rotation shaft.
  • the generator is powered by a feedback loop from a power source available at the output of the motor.
  • the motor is autonomous and does not require an external power source to operate.
  • the generator is powered by electrical energy produced by an electrical generation coupled to the rotation shaft.
  • the acoustic wave produced by the generator is formed by taking a portion of the amplified acoustic wave at the converter.
  • the at least one heating stage is connected to a hot source by one or more heat pipes carrying the energy in the form of heat from said hot source to said heating stage.
  • the production of heat energy can be offset relative to the motor body and arranged with a minimum of installation stress.
  • the heat pipe or heat pipes carry the energy in the form of heat from said hot source to the heating stage by circulation of a metal in the liquid liquid phase.
  • thermoacoustic cell powers in heat form with high temperatures favorable to good performance of the engine.
  • a wall of the enclosure is formed primarily, at least for portions of said enclosure subjected to high working gas temperatures, of a sandwich structure having an inner skin and an outer skin, relatively thin , between which skins is maintained a honeycomb structure, said sandwich structure being organized to allow the circulation, between the inner skin and the outer skin, of a liquid fuel for supplying by combustion thermal energy to the hot source.
  • the heat capacities of the fuel are used to cool the wall of the enclosure and take advantage of the heat generated by the engine to heat the fuel before combustion.
  • the fuel is a cryogenic liquid fuel at temperatures below 120K, for example methane or liquid hydrogen.
  • the low storage temperature of these fuels promotes the possibility of implementing them to cool the wall of the enclosure.
  • the sandwich structure in which the liquid fuel circulates is dimensioned according to engine parameters, in particular a temperature of the hot parts and a fuel flow rate required by the engine, so that the fuel can be received during its passage through the engine. wall a sufficient amount of heat to be brought to a temperature to be in the vapor phase when said fuel is transferred to the burner of the hot source.
  • all or part of the fuel is used to cool the cold source.
  • thermodynamic efficiency of the engine directly dependent on the temperature difference between the hot and cold sources , is improved.
  • the fuel used to cool the cold source is then used to cool the wall of the enclosure made of sandwich structure, supplemented, according to the fuel flow required by the burners, by a quantity of fuel that does not participate in cooling of the cold source.
  • the invention is also directed to a vehicle propelled by a motor such as that just described, wherein the rotation shaft is mechanically connected to a propulsion device.
  • the rotation shaft also drives an electric generator and said electric generator is used as an electromagnetic brake of variable force to regulate the output mechanical power usable on the shaft with power supplied by the given hot source, by moving the equilibrium point between the electric energy produced and the available mechanical energy.
  • the rotation shaft is mechanically connected to a device producing a displacement force, for example a helix, faired or unsheathed, in the case of an aircraft, without the power used for propulsion passing through a mechanical-electrical conversion at the engine and then electrical-mechanical at the device producing the displacement force.
  • a device producing a displacement force for example a helix, faired or unsheathed
  • a maximum output of the propulsion unit is thus obtained, a propeller being connected, if necessary, by a mechanical gearbox to operate at an optimum speed.
  • thermoacoustic engine producing energy in electrical form
  • - Figure 2 schematically shows an embodiment of a thermoacoustic engine according to the invention and implementing a thermoacoustic cell with three modules and heat inputs by heat pipes;
  • FIG. 3 is a simplified illustration of an example of structure of the wall of the enclosure containing the working gas
  • FIG. 4 shows a block diagram illustrating rotor blade and stator blade shapes of an axial flow turbine whose combined action leads to a single direction of rotation of the turbine independent of the direction of rotation. flow through the turbine;
  • FIG. 5 shows a schematic representation in section of the sandwich structure wall of the enclosure, adapted to be cooled by the fuel
  • FIG. 6 illustrates partially cut away an example of a radial flow turbine and which is driven in a single direction of rotation as in the case illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 2 represents a schematic view of an embodiment of a motor 100 according to the invention.
  • the motor 100 of FIG. 2 is a thermoacoustic motor comprising a thermoacoustic cell 10 situated between an acoustic wave generator 20 and a converter 30 of an acoustic acoustic wave in mechanical energy.
  • thermoacoustic cell 10 The thermoacoustic cell 10, the generator 20 and the converter 30 are arranged in an enclosure 40, here having the general shape of a tube, containing a working gas so that a displacement of the gas between said generator and said converter implies that the gas passes through said thermoacoustic cell.
  • the acoustic wave propagates from the generator to the converter through the thermoacoustic cell in which the energy of the acoustic wave is increased.
  • thermoacoustic cell 10 comprises three modules 10a, 10b, 10c connected in series and made according to the same principles.
  • each module 10a, 10b, 10c comprises, as in the cross-sectional diagram of FIG. 3, a cooler stage 12, located on the module on the generator side 20, and comprises a heating stage 11, located on the module of the side of the converter 30.
  • the cooler stage 12 is constituted by a heat exchanger for transferring a quantity of heat Q2 from the working gas passing through said cooler stage to a cold source 14.
  • the heater stage 11 is constituted by a heat exchanger for transferring a quantity of heat Q1 from a hot source 13 to the working gas passing through said heating stage.
  • a regenerator 15 is arranged between the cooler stage 12 and the heater stage 11, depending on the direction of passage of the gas, to take a quantity of heat from the working gas and to return a quantity of heat to the working gas when the latter passes through said regenerator.
  • the heat flows implemented in the cooling stages and the heating stages of each of the modules are different so as to gradually increase the energy of the working gas when said working gas passes through the thermoacoustic cell of the generator 20 to the converter 30 and so gradually decrease the temperature of the working gas when said working gas passes through the thermoacoustic cell of the converter 30 to the generator 20.
  • the hot source 13 is offset and the heat is supplied in each of the stages by heat pipes 51, for example liquid metal heat pipes at the operating temperature, said liquid metal, for example sodium or lithium, circulating between a heat source, not shown, for example a boiler burning a combustible gas, and the heating stages 11.
  • heat pipes 51 for example liquid metal heat pipes at the operating temperature
  • said liquid metal for example sodium or lithium
  • a heat source not shown, for example a boiler burning a combustible gas
  • burners are arranged near the heating stages 11 so that the heat exchange is direct between the hot source and said heating stages.
  • the generator 20 may consist of any device generating an acoustic wave, said acoustic wave before in the application be adapted in intensity, phase and wavelength characteristics of the engine.
  • Such a generator may consist of an oscillating piston under the effect of a mechanical or electromagnetic actuator.
  • Such a generator may also consist of an acoustic wave corresponding to a part of the amplified acoustic wave taken from the converter 30 side by a feedback loop, a solution not shown in the drawings.
  • thermoacoustic cell 10 a phase of the acoustic wave produced by the generator 20 is controlled to ensure the amplifier operation of the thermoacoustic cell 10.
  • the converter 30 mainly comprises an axial turbine 31.
  • the turbine 31 is arranged in the chamber 40 containing the working gas so as to be traversed by molecules of the working gas, said molecules moving as a function of the acoustic wave when the engine is in operation.
  • the acoustic wave in the enclosure closed at its ends on the generator side and on the converter side, is a progressive wave which moves in the tube formed by the enclosure 40.
  • the turbine 31 comprises a rotation shaft 32 of axis 33, one end of which passes through a wall of the enclosure 40 in a sealed manner so that the mechanical power delivered by the motor 100 is directly available without going through a conversion into electrical energy. .
  • the rotational shaft 32 may in particular be coupled to a propeller, possibly by means of a mechanical gearbox to adapt the speed of rotation of the propeller, in the case of aircraft or other vehicles that can be propelled.
  • the direction of rotation of the rotation shaft 32 must be constant, at least in one mode of operation of the engine, although the molecules of the working gas pass through the turbine 31 successively in both directions along the axis 33 of the rotation shaft.
  • a turbine consisting of a rotor on which is fixed symmetrical vanes enclosed in two blade guides.
  • this turbine is connected to a periodic supply of incoming-outgoing oscillating gas, the rotation of the turbine is thus independent of the direction of the flow. It is thus transformed the oscillating linear motion of the molecules of the working gas, corresponding to the acoustic wave, in continuous rotary motion.
  • the turbine is then coupled to the acoustic generator in a perfect impedance matching for maximum power transmission.
  • FIG. 4 An example of rotor blade shapes 34 and stators 35 which generate a torque of constant sign on the rotor, is illustrated schematically in FIG. 4 in an axial turbine configuration on which the blades of a rotor R and two stators S arranged symmetrically with respect to a radial plane of the rotor are drawn seen in blade tips, the single arrow represents the relative direction of movement of the rotor blades relative to the stator blades, and the double lateral arrows represent the directions of movement of the rotor blades. working gas molecules alternately passing through the turbine.
  • FIG. 6 schematically illustrates, in partial cutaway, another example of a turbine adapted to an engine according to the invention in a radial flow turbine case, the elements being identified using the same convention as in the preceding example.
  • the turbine 31 comprises a rotor with two stages, one of which is working when the flow passes through the turbine in a first direction, the other stage being then transparent to flow, this operation of the two turbine stages being reversed when the flow passes through the turbine in the other direction.
  • each turbine stage is designed to drive the rotation shaft in the same direction.
  • the working gas in the enclosure 40 of the engine is subjected to a pressure higher than the atmospheric pressure, a high pressure of the working gas having a beneficial effect on the efficiency of the turbine.
  • an average pressure of the order of 4 mega pascals (approximately 40 times the standard atmospheric pressure) is advantageously used in the engine enclosure.
  • the frequency of the acoustic wave also has a preponderant effect on the dimensions of the engine, a part of the chamber 40 in which the acoustic wave propagates having a length that is a multiple of the wavelength of the acoustic wave.
  • the engine 100 when it is used for the propulsion of a vehicle, for example an aircraft, advantageously comprises an electric generator driven by the rotation shaft 32 of the turbine.
  • the electric generator for example an alternator, can be incorporated directly into the engine, that is to say housed in the enclosure 40 of the engine, or be mounted outside the engine.
  • the electric generator provides electrical energy to the vehicle, electrical energy that is generally useful for the operation of equipment requiring a power supply.
  • said alternator when the rotation shaft 32 drives an alternator, said alternator is used as an electromagnetic brake of variable force to regulate the output mechanical power usable on the shaft with a power supplied by the given hot source.
  • This ability to shift the equilibrium point between electrical energy produced and available mechanical energy is particularly advantageous in the case of needs for significant instantaneous power consumption, particularly when the vehicle is able to compensate, by an action on its trajectory, the mechanical power loss on the rotating shaft that regulating the engine power can not compensate quickly.
  • a structure comprising an inner skin 41 and an outer skin 42, relatively thin, between which skins is placed a honeycomb structure 43 such as a honeycomb structure, the assembly forming a sandwich structure , this type of structure being adapted to the production of structures both light while being resistant and rigid in the context of a given application.
  • the honeycomb structure at least in certain zone of the walls of the enclosure 40 subjected to high operating temperatures with respect to the performance of the materials used to produce the enclosure, is arranged to allow the circulation a liquid fuel 45 for supplying energy to the heating means of the hot source between the inner skin 41 and the outer skin 42.
  • the fuel 45 in the liquid phase then circulates between the two skins and cools the wall of the enclosure 40 before joining burners of the hot source.
  • the cooling of the wall of the chamber is obtained by heating the liquid fuel 45 and, where appropriate, by vaporizing it by taking advantage of its latent heat of vaporization.
  • the vapor phase of the fuel also simplifies the burners by avoiding the use of injectors and high pressure pumps to spray the fuel and ensure its combustion.
  • This fuel cooling solution is particularly advantageous in the case of the use of a cryogenic fuel such as liquid methane generally stored at a temperature of the order of 111 K or liquid hydrogen generally stored at a temperature of the order of 20 K.
  • a cryogenic fuel such as liquid methane generally stored at a temperature of the order of 111 K or liquid hydrogen generally stored at a temperature of the order of 20 K.
  • the liquid fuel not cryogenic or advantageously cryogenic, can also be used to lower or maintain the temperature of the cold source.
  • the liquid fuel used to cool the cold source can then be sent to burners of the hot source by appropriate circuits.
  • liquid fuel is also used to ensure cooling of the hot walls of the engine, as explained above, the latter can be mixed before combustion with the one having cooled the cold source, or be burned in different burners.
  • liquid fuel provides both functions of cooling the cold source and cooling the hot walls of the engine
  • fuel from fuel storage tanks is first used to cool the cold source and then again. in a liquid phase, is used to cool the hot walls of the engine, in whole or in part, alone or mixed with fuel directly from storage tanks.
  • the number of modules of the thermoacoustic cell may be different from three depending on the desired characteristics of the motor.
  • the engine may for example comprise a thermoacoustic cell to a single module, two modules or more than three modules.
  • the means for generating the thermal energy and supplying this energy in the form of heat to the heating stages 11 may be different from those described given the small constraints imposed on the external heat sources.
  • the sources can not only result from the combustion of a liquid fuel, hydrocarbon or hydrogen, but also solid fuels such as coal or wood or other sources such as solar energy or energy produced by the fission of atoms.
  • a motor 100 may optionally use several types of heat generation sources, for example methane and alternatively another liquid or solid fuel.
  • thermoacoustic engine In practice, in addition to the amount of heat to be provided to meet the power requirements of the engine, it will be sought a temperature of the hot source adapted to satisfactory performance of the thermoacoustic engine, that is to say a temperature as high as possible within acceptable limits by materials used in the realization of the engine.
  • the means for extracting thermal energy at the cooling stages 12 can be of any kind and implement for example a direct cooling by air at room temperature, or specific circuits of gas or heat transfer liquids between the cooling stages and radiators responsible for dissipating the heat taken, for example in the atmosphere.
  • all or part of the heat taken up in the cooling stages is used to heat, if necessary vaporize, a liquid fuel, possibly cryogenic used by the hot source, and therefore to cool the cold source.
  • cryogenic fuel makes it possible to form a cold source at low temperatures, lowered from 100 to 200 degrees with respect to an ambient temperature, and thus to improve the Carnot efficiency of the thermodynamic cycle, which is sensitive to differences in temperature. temperatures between hot and cold springs.
  • the generator 20 can implement different technologies, mechanical, electromechanical, acoustic to produce the acoustic wave to be amplified, and for this use an independent power source or on the contrary, at least after a startup phase, use a part energy produced by the motor and taken in a feedback loop, for example electric or acoustic.
  • the nature of the working gas and the pressure of this gas in the enclosure are also modifiable and are part of common technological choices in the field of Stirling cycle engines.
  • helium as a working gas is known and advantageous because of the behavior of this gas in the heat exchange, but poses problems of maintenance of this gas confined in an enclosure, particularly in high efficiency applications which high pressures of several tens of atmospheres.
  • other working gases are advantageously considered as for example nitrogen or argon.
  • the engine of the invention has advantages over known engines by allowing higher efficiencies while benefiting from the known advantages of Stirling cycle engines in particular for quiet operation and flexibility in the choice of fuels.

Abstract

Un moteur (100) thermoacoustique comporte, un générateur (20) d'une onde acoustique, une cellule thermoacoustique (10) comportant au moins un module (10a, 10b, 10c), et un convertisseur (30) convertissant l'onde acoustique amplifiée en puissance mécanique. La cellule thermoacoustique (10) comporte au niveau d'une entrée de l'au moins un module de ladite cellule, du côté du générateur (20), au moins un étage refroidisseur (12) pour transférer une quantité de chaleur du gaz de travail vers une source froide (14) et comporte au niveau d'une sortie de l'au moins un module de ladite cellule, du côté du convertisseur (30), au moins un étage réchauffeur (11) pour transférer une quantité de chaleur d'une source chaude (13) vers le gaz de travail. Le convertisseur (30) comporte principalement une turbine (31) traversée par l'onde acoustique amplifiée, ladite turbine entraînant un arbre de rotation (32) d'axe (33) dont une extrémité traverse de manière étanche au gaz de travail une paroi de l'enceinte (40).

Description

MOTEUR THERMOACOUSTIQUE
La présente invention concerne le domaine de la conversion de l'énergie calorifique en énergie mécanique.
Plus particulièrement l'invention concerne un moteur dans lequel une quantité de chaleur est transformée en énergie mécanique par la mise en œuvre d'un cycle thermodynamique du type Stirling.
Il est connu de nombreuses formes de moteurs produisant une énergie mécanique à partir d'une énergie calorifique.
Les moteurs de la famille des moteurs Stirling se caractérisent par un transfert d'énergie thermique entre une source chaude et une source froide extérieures au moteur lui-même qui met en œuvre un gaz de travail maintenu en circuit fermé dans le moteur.
Suivant une architecture largement étudiée pour les moteurs à cycle Stirling, le gaz de travail est déplacé entre la source chaude et la source froide par un piston déplaceur, le travail produit étant appliqué à un piston de travail.
Cette architecture a été appliquée, au moins expérimentalement, à des moteurs délivrant la puissance sous forme mécanique sur un arbre tournant d'un système piston-bielle-manivelle ou à des moteurs délivrant la puissance sous forme électrique en incorporant des ensembles magnétiques, noyaux aux pistons et bobines aux structures du moteur.
Cette dernière solution basée sur la production électrique présente l'avantage de pouvoir réaliser une cavité étanche pour le gaz de travail sans difficultés particulières, aucun élément mobile tel qu'un piston ne traversant l'enceinte renfermant le gaz et évitant la nécessité de réaliser des étanchéités entre les pistons et les cylindres du moteur.
Plus récemment, il a été considéré de réaliser un cycle de Stirling dans une enceinte contenant un gaz de travail soumis à une onde acoustique.
Dans une telle solution de moteur, dit thermo-acoustique, dont une représentation schématique est présentée sur la figure 1 une cellule thermoacoustique 10 est agencée entre un générateur d'onde acoustique 20 et un convertisseur 30 de l'onde acoustique en énergie utilisable. Dans ce mode de réalisation, la cellule thermo-acoustique, qui réalise les échanges de quantité de chaleur entre le gaz de travail contenue dans l'enceinte 40 et la source chaude 13 d'une part et la source froide 14 d'autre part, amplifie l'énergie acoustique du gaz de travail sous réserve d'un choix approprié des dimensions du dispositif et des fréquences acoustiques mises en œuvre pour produire une onde acoustique aux caractéristiques adaptées.
Le fonctionnement détaillé de ce type de moteur est décrit par exemple dans la demande de brevet WO 2011098735.
Si une telle architecture de moteur apporte une solution intéressante au problème de l'étanchéité de la cavité contenant le gaz de travail, elle présente le défaut de mettre en œuvre une conversion des déplacements d'un élément oscillant sous l'effet de l'onde acoustique en électricité, électrogénérateur 39 dont la masse et la nécessité d'une nouvelle conversion électrique-mécanique dans une chaîne de transmission, qui multiplie les rendements de chaque conversion, limite son intérêt dans un dispositif de propulsion d'un véhicule, en particulier d'un aéronef.
Le moteur thermo-acoustique de la présente invention apporte une solution pour améliorer le rendement global du moteur, c'est-à-dire le travail mécanique utilisable effectivement délivré par le moteur par rapport au maximum théorique du cycle thermodynamique.
Suivant l'invention, le moteur thermoacoustique comporte, dans une enceinte contenant un gaz de travail et agencée pour propager une onde acoustique progressive, un générateur d'une onde acoustique, une cellule thermoacoustique comportant au moins un module, amplifiant une puissance de l'onde acoustique produite par le générateur, et un convertisseur convertissant l'onde acoustique amplifiée en puissance mécanique.
La cellule thermoacoustique comporte au niveau d'une entrée de l'au moins un module de la cellule, du côté du générateur, au moins un étage refroidisseur pour transférer une quantité de chaleur du gaz de travail vers une source froide et comporte au niveau d'une sortie de l'au moins un module de ladite cellule, du côté du convertisseur, au moins un étage réchauffeur pour transférer une quantité de chaleur d'une source chaude vers le gaz de travail.
En outre, le convertisseur comporte principalement une turbine traversée par l'onde acoustique amplifiée apportant une énergie pour entraîner la turbine en rotation, ladite turbine entraînant un arbre de rotation dont une extrémité traverse de manière étanche au gaz de travail une paroi de l'enceinte.
Il est ainsi obtenu un moteur thermo-acoustique mettant en œuvre un cycle thermodynamique de Stirling dans lequel il est produit une puissance mécanique directement sur un arbre tournant sans conversion d'un déplacement alternatif de piston en mouvement de rotation par un ensemble bielle vilebrequin ou par conversion en énergie électrique. Il en résulte un rendement global du moteur amélioré et une conception simplifiée.
La turbine est de préférence une turbine axiale, comportant un ou des rotors R comportant des pales et un ou des stators S comportant des aubes, dont les pales de rotor et les aubes de stator sont agencées pour que la turbine soit entraînée en rotation dans un même sens de rotation pour les deux sens de déplacement de molécules du gaz de travail traversant la turbine suivant une direction de l'axe de l'arbre de rotation.
Il est ainsi transformé en énergie mécanique un maximum d'énergie acoustique.
Dans un mode de réalisation, le générateur est alimenté en énergie par une boucle de rétroaction depuis une source de puissance disponible en sortie du moteur.
Ainsi, au moins après une phase de démarrage, hors l'apport de quantité de chaleur, le moteur est autonome et ne nécessite pas de source de puissance extérieure pour fonctionner.
Par exemple le générateur est alimenté par une énergie électrique produite par une génération électrique couplée à l'arbre de rotation.
Il est dans ce cas par exemple tiré partie de l'installation d'une génération électrique auxiliaire souvent utile pour alimenter des servitudes et équipements électriques d'un système utilisant le moteur, ainsi que de la souplesse de l'alimentation électrique d'un générateur électromagnétique d'onde acoustique pour en piloter la puissance et la phase.
Par exemple, l'onde acoustique produite par le générateur est formée par prélèvement d'une partie de l'onde acoustique amplifiée au niveau du convertisseur.
II est dans ce cas évité une installation électrique pouvant s'avérer lourde tant par la masse de la génération électrique que par la masse du générateur électromagnétique.
Dans une forme de réalisation, l'au moins un étage réchauffeur est raccordé à une source chaude par un ou plusieurs caloducs réalisant le transport de l'énergie sous forme de chaleur depuis ladite source chaude vers ledit étage réchauffeur. Dans cette forme, la production d'énergie calorifique peut être déportée par rapport au corps du moteur et agencée avec un minimum de contrainte d'installation.
Dans ce mode de réalisation, avantageusement, le ou les caloducs réalisent le transport de l'énergie sous forme de chaleur depuis ladite source chaude vers l'étage réchauffeur par circulation d'un métal en phase liquide liquide.
Il est ainsi possible d'apporter à la cellule thermoacoustique des puissances sous forme calorifique avec des températures élevées favorables à un bon rendement du moteur.
Dans une forme de réalisation, une paroi de l'enceinte est formée principalement, au moins pour des parties de ladite enceinte soumises à des températures élevées du gaz de travail, d'une structure sandwich comportant une peau intérieure et une peau extérieure, relativement minces, entre lesquelles peaux est maintenue une structure alvéolaire, ladite structure sandwich étant organisée pour permettre la circulation, entre la peau intérieure et la peau extérieure, d'un carburant liquide destiné à apporter par combustion une énergie thermique à la source chaude.
Il est ainsi mis à profit les capacités calorifiques du carburant pour refroidir la paroi de l'enceinte et mis à profit la chaleur produite par le moteur pour réchauffer le carburant avant sa combustion.
Par exemple le carburant est un carburant cryogénique liquide à des températures inférieures à 120K, par exemple du méthane ou de l'hydrogène liquide. La basse température de stockage de ces carburants favorise la possibilité de les mettre en œuvre pour refroidir la paroi de l'enceinte.
Dans une forme particulière de réalisation, la structure sandwich dans laquelle circule le carburant liquide est dimensionnée en fonction de paramètres moteurs, notamment une température des parties chaudes et un débit de carburant nécessaire au moteur, pour que le carburant reçoive lors de son passage dans la paroi une quantité de chaleur suffisante pour être amené à une température voulue pour être en phase vapeur lorsque le dit carburant est transféré vers le brûleur de la source chaude.
En déterminant ainsi les caractéristiques dimensionnelles, en particulier la section de passage du carburant en fonction du débit nécessaire, il est obtenu un échauffement voulu du carburant pour en obtenir un changement de phase lorsque le carburant arrive au niveau de brûleurs de la source chaude. De la sorte il n'est pas nécessaire de disposer de pompe à haute pression pour obtenir la vaporisation du carburant par des injecteurs comme dans de nombreux types de moteurs.
Dans une forme de réalisation, tout ou partie du carburant est mis en œuvre pour refroidir la source froide.
En particulier dans le cas de la mise en œuvre d'un carburant cryogénique il est possible d'abaisser significativement la température de la source froide de sorte que le rendement thermodynamique du moteur, dépendant directement de la différence de températures entre les sources chaudes et froides, est amélioré.
Dans une forme de réalisation, le carburant servant à refroidir la source froide est ensuite utilisé pour refroidir la paroi de l'enceinte réalisée en structure sandwich, complétée, suivant le débit de carburant nécessaire aux brûleurs, par une quantité de carburant ne participant pas au refroidissement de la source froide.
L'invention s'adresse également à un véhicule propulsé par un moteur tel que celui qui vient d'être décrit, dans lequel l'arbre de rotation est mécaniquement connecté à un dispositif de propulsion.
Dans une forme de réalisation d'un tel véhicule, l'arbre de rotation entraîne également un générateur électrique et ledit générateur électrique est utilisé comme frein électromagnétique de force variable pour réguler la puissance mécanique de sortie utilisable sur l'arbre avec une puissance apportée par la source chaude donnée, en déplaçant le point d'équilibre entre l'énergie électrique produite et l'énergie mécanique disponible.
Il est ainsi obtenu la possibilité d'une régulation hybride mécanique et électrique du moteur.
Dans le cas d'un véhicule propulsé par un moteur tel que celui qui vient d'être décrit, l'arbre de rotation est connecté mécaniquement à un dispositif produisant une force de déplacement, par exemple une hélice, carénée ou non carénée, dans le cas d'un aéronef, sans que la puissance utilisée pour la propulsion ne passe par une conversion mécanique-électrique au niveau du moteur puis électrique-mécanique au niveau du dispositif produisant la force de déplacement.
Il est obtenu ainsi un rendement maximum de l'ensemble propulsif, une hélice étant connectée au besoin par un réducteur mécanique pour fonctionner à un régime optimal.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec les dessins sur lesquels :
- la figure 1, déjà citée, présente schématiquement un moteur thermoacoustique connu produisant une énergie sous forme électrique ; - la figure 2 présente schématiquement un exemple de réalisation d'un moteur thermoacoustique suivant l'invention et mettant en œuvre une cellule thermoacoustique à trois modules et des apports de chaleur par caloducs ;
- la figure 3 présente une illustration simplifiée d'un exemple de structure de la paroi de l'enceinte contenant le gaz de travail ;
- La figure 4 présente un schéma de principe illustrant des formes de pales de rotor et de pales de stator d'une turbine à écoulement axial dont l'action combinée conduit à un sens de rotation unique de la turbine indépendant de la direction de l'écoulement traversant la turbine ;
- la figure 5 montre une représentation schématique en section de la paroi à structure sandwich de l'enceinte, adaptée pour être refroidie par le carburant ;
- la figure 6 illustre partiellement écorchée un exemple de turbine à écoulement radial et qui est entraînée dans un seul sens de rotation comme dans le cas illustré sur la figure 4.
Les différentes figures ne sont pas nécessairement représentées à la même échelle et sur une figure donnée, les différentes parties ne sont pas nécessairement représentées à la même échelle. La figure 2 représente une vue schématique d'un mode de réalisation d'un moteur 100 suivant l'invention.
Le moteur 100 de la figure 2 est un moteur thermoacoustique comportant une cellule thermoacoustique 10 située entre un générateur 20 d'onde acoustique et un convertisseur 30 d'une onde acoustique en énergie mécanique.
La cellule thermoacoustique 10, le générateur 20 et le convertisseur 30 sont agencés dans une enceinte 40, ici ayant la forme générale d'un tube, contenant un gaz de travail de sorte qu'un déplacement du gaz entre ledit générateur et ledit convertisseur implique que le gaz traverse ladite cellule thermoacoustique. L'onde acoustique se propage du générateur vers le convertisseur en traversant la cellule thermoacoustique dans laquelle l'énergie de l'onde acoustique est augmentée.
Dans l'exemple illustré sur la figure 2, la cellule thermoacoustique 10 comporte trois modules 10a, 10b, 10c montés en série et réalisés suivant les mêmes principes.
De manière connue chaque module 10a, 10b, 10c comporte, comme sur le schéma en coupe de la figure 3, un étage refroidisseur 12, situé sur le module du côté du générateur 20, et comporte un étage réchauffeur 11, situé sur le module du côté du convertisseur 30.
L'étage refroidisseur 12 est constitué en échangeur thermique pour transférer une quantité de chaleur Q2 depuis le gaz de travail traversant ledit étage refroidisseur vers une source froide 14.
L'étage réchauffeur 11 est constitué en échangeur thermique pour transférer une quantité de chaleur Ql depuis une source chaude 13 vers le gaz de travail traversant ledit étage réchauffeur.
De manière connue dans les moteurs à cycle Stirling, un régénérateur 15 est agencé entre l'étage refroidisseur 12 et l'étage réchauffeur 11 pour, suivant le sens de passage du gaz, prendre une quantité de chaleur du gaz de travail et restituer une quantité de chaleur au gaz de travail lorsque ce dernier traverse ledit régénérateur.
Bien que fonctionnant sur le même principe, les flux de chaleur mis en œuvre dans les étages refroid isseurs et les étages réchauffeurs de chacun des modules sont différents de sorte à augmenter progressivement l'énergie du gaz de travail lorsque le dit gaz de travail traverse la cellule thermoacoustique du générateur 20 vers le convertisseur 30 et de sorte à diminuer progressivement la température du gaz de travail lorsque ledit gaz de travail traverse la cellule thermoacoustique du convertisseur 30 vers le générateur 20.
Dans la forme illustrée de la figure 2, la source chaude 13 est déportée et la chaleur est apportée dans chacun des étages par des caloducs 51, par exemple des caloducs à métal liquide à la température de fonctionnement, ledit métal liquide, par exemple du sodium ou du lithium, circulant entre une source de chaleur, non représentée, par exemple une chaudière brûlant un gaz combustible, et les étages réchauffeurs 11.
Dans une forme non illustrée, des brûleurs sont agencés à proximité des étages réchauffeurs 11 de façon à ce que les échanges de chaleur soient directs entre la source chaude et les dits étages réchauffeurs. Cette solution, qui peut s'avérer plus contraignante sur le plan de l'installation, mais qui évite la mise en œuvre de caloducs, permet une modification rapide du flux de quantité de chaleur apporté au moteur et donc permet de réguler de manière relativement simple la puissance délivrée par le moteur 100.
Le générateur 20 peut consister en tout dispositif générant une onde acoustique, ladite onde acoustique devant dans l'application être adaptée en intensité, en phase et en longueur d'onde aux caractéristiques du moteur.
Un tel générateur peut consister en un piston oscillant sous l'effet d'un actionneur mécanique ou électromagnétique. Un tel générateur peut également consister en une onde acoustique correspondant à une partie de l'onde acoustique amplifiée prélevée du côté du convertisseur 30 par une boucle de rétroaction, solution non représentée sur les dessins.
Dans tous les cas, une phase de l'onde acoustique produite par le générateur 20 est contrôlée pour assurer le fonctionnement en amplificateur de la cellule thermo-acoustique 10.
Le convertisseur 30 comporte principalement une turbine 31 axiale.
La turbine 31 est agencée dans l'enceinte 40 contenant le gaz de travail de sorte à être traversée par des molécules du gaz de travail, les dites molécules se déplaçant en fonction de l'onde acoustique lorsque le moteur est en fonctionnement.
L'onde acoustique dans l'enceinte, close à ses extrémités côté générateur et coté convertisseur, est une onde progressive qui se déplace dans le tube formé par l'enceinte 40.
La turbine 31 comporte un arbre de rotation 32 d'axe 33 dont une des extrémités traverse de manière étanche une paroi de l'enceinte 40 de sorte que la puissance mécanique délivrée par le moteur 100 est directement disponible sans passer par une conversion en énergie électrique.
Il est notable que les dispositifs mécaniques tournant à prise directe ne génèrent que peu de frottements par la mise en œuvre de paliers ou de roulements à billes ou à rouleaux, et que l'étanchéité d'une traversée d'arbre tournant relève de technologies connues plus performantes et plus fiables que celles pour l'étanchéité entre un piston et un cylindre.
L'arbre de rotation 32 peut en particulier être couplé à une hélice, le cas échéant par l'intermédiaire d'un réducteur mécanique pour adapter la vitesse de rotation de l'hélice, dans le cas d'aéronefs ou d'autres véhicules pouvant être propulsés par hélice. Opérationnellement le sens de rotation de l'arbre de rotation 32 doit être constant, au moins dans un mode de fonctionnement du moteur, bien que les molécules du gaz de travail traversent la turbine 31 successivement dans les deux directions suivant l'axe 33 de l'arbre de rotation.
Dans une forme de réalisation, il est mis en œuvre une turbine constituée d'un rotor sur lequel est fixé des aubes symétriques enfermées dans deux guides d'aubes. Lorsque cette turbine est connectée à une alimentation périodique de gaz oscillant entrant-sortant, la rotation de la turbine est ainsi indépendante de la direction de l'écoulement. Il est ainsi transformé le mouvement linéaire oscillant des molécules du gaz de travail, correspondant à l'onde acoustique, en mouvement rotatif continu. La turbine est alors couplée au générateur acoustique dans une parfaite adaptation d'impédance pour une transmission maximum d'énergie.
Un exemple de formes de pales de rotors 34 et de stators 35 qui génèrent un couple de signe constant sur le rotor, est illustré schématiquement sur la figure 4 dans une configuration de turbine axiale sur laquelle les pales d'un rotor R et de deux stators S agencés symétriquement par rapport à un plan radial du rotor sont dessinées vu en bouts de pales, la flèche simple représente le sens de déplacement relatif des pales de rotor par rapport aux pales de stator, et les flèches doubles latérales représentent les sens de déplacement des molécules du gaz de travail traversant alternativement la turbine.
La figure 6 illustre schématiquement, en écorché partiel, un autre exemple de turbine adaptée à un moteur suivant l'invention dans un cas de turbine à écoulement radial, les éléments étant identifiés en utilisant la même convention que dans l'exemple précédent.
De tels exemples de turbines et de leurs fonctionnement sont par exemple abordés dans l'article :"An improved radial impulse turbine for OWC" de Bruno Pereias at ail. Publié dans la revue Renewable Energy Volume 36 (2011) pages 1477-1484.
Dans une autre forme de réalisation non illustrée, la turbine 31 comporte un rotor avec deux étages dont l'un des étages est travaillant lorsque l'écoulement traverse la turbine dans un premier sens, l'autre étage étant alors transparent à l'écoulement, ce fonctionnement des deux étages de turbine étant inversé lorsque l'écoulement traverse la turbine dans l'autre sens. Dans ce cas, chaque étage de turbine est conçu pour entraîner l'arbre de rotation dans le même sens. Le gaz de travail dans l'enceinte 40 du moteur est soumis à une pression supérieure à la pression atmosphérique, une pression élevée du gaz de travail ayant un effet bénéfique sur le rendement de la turbine.
Pour un moteur de propulsion destiné à être embarqué sur un aéronef, une pression moyenne de l'ordre de 4 méga pascals (environ 40 fois la pression atmosphérique standard) est avantageusement utilisée dans l'enceinte du moteur.
La fréquence de l'onde acoustique a également un effet prépondérant sur les dimensions du moteur, une partie de l'enceinte 40 dans laquelle se propage l'onde acoustique ayant une longueur multiple de la longueur d'onde de l'onde acoustique.
Pour des applications à la propulsion d'un aéronef, compte tenu des volumes pouvant être consacrés aux moteurs de propulsion, il sera avantageusement considéré des fréquences supérieures à 100Hz, voire de plusieurs centaines de Hertz. Le moteur 100 lorsqu'il est mis en œuvre pour la propulsion d'un véhicule, un aéronef par exemple, comporte avantageusement un générateur électrique entraîné par l'arbre de rotation 32 de la turbine. Le générateur électrique, par exemple un alternateur, peut être incorporé directement dans le moteur, c'est-à- dire logé dans l'enceinte 40 du moteur, ou être monté à l'extérieur du moteur.
Le générateur électrique permet d'apporter l'énergie électrique au véhicule, énergie électrique qui lui est généralement utile pour assurer le fonctionnement des équipements nécessitant une alimentation électrique.
Avantageusement, lorsque l'arbre de rotation 32 entraîne un alternateur, ledit alternateur est utilisé comme frein électromagnétique de force variable pour réguler la puissance mécanique de sortie utilisable sur l'arbre avec une puissance apportée par la source chaude donnée.
Cette capacité à déplacer le point d'équilibre entre énergie électrique produite et énergie mécanique disponible est particulièrement intéressante dans le cas de besoins en consommation électrique instantanée importante, en particulier lorsque le véhicule est en mesure de compenser, par une action sur sa trajectoire, la perte de puissance mécanique sur l'arbre de rotation que la régulation de la puissance du moteur ne saurait pas compenser rapidement.
Par exemple dans le cas d'un drone volant équipé d'un radar à synthèse d'ouverture (SAR), au moment où le radar émet et que la puissance électrique nécessaire est augmentée de manière significative, ledit drone prendra une pente de descente pour compenser sa perte d'énergie de propulsion, la perte d'altitude étant compensée ultérieurement par la régulation de l'énergie sous forme de quantité de chaleur apportée au moteur pour adapter la puissance sur l'arbre de rotation aux besoins du drone. Compte tenu de la pression requise du gaz de travail, et pour éviter des masses trop élevées de la structure de la paroi de l'enceinte 40, ladite paroi de l'enceinte contenant ledit gaz de travail est avantageusement réalisée, comme illustré sur la section de la figure 5, par une structure comportant une peau intérieure 41 et une peau extérieure 42, relativement minces, entre lesquelles peaux est placée une structure alvéolaire 43 telle qu'une structure de type nid d'abeille, l'ensemble formant une structure sandwich, ce type de structure étant adapté à la réalisation de structures à la fois légères tout en étant résistantes et rigides dans le contexte d'une application donnée.
Dans une forme de réalisation, la structure alvéolaire, au moins dans certaine zone des parois de l'enceinte 40 soumise à des températures en fonctionnement élevées en regard des performances des matériaux mis en œuvre pour réaliser l'enceinte, est agencée pour permettre la circulation d'un carburant 45 liquide, devant alimenter en énergie des moyens de chauffage de la source chaude, entre la peau intérieure 41 et la peau extérieure 42.
Le carburant 45 en phase liquide circule alors entre les deux peaux et refroidit la paroi de l'enceinte 40 avant de rejoindre des brûleurs de la source chaude. Le refroidissement de la paroi de l'enceinte est obtenu par le réchauffement du carburant 45 liquide et le cas échéant par sa vaporisation en profitant de sa chaleur latente de vaporisation. Le passage en phase vapeur du carburant permet également de simplifier les brûleurs en évitant le recours à des injecteurs et des pompes à haute pression pour pulvériser le carburant et assurer sa combustion.
Cette solution de refroidissement par le carburant est particulièrement avantageuse dans le cas de l'utilisation d'un carburant cryogénique tel que du méthane liquide généralement stocké à une température de l'ordre de 111 K ou de l'hydrogène liquide généralement stocké à une température de l'ordre de 20 K. Le carburant liquide, non cryogénique ou avantageusement cryogénique, peut également être utilisé pour abaisser ou maintenir la température de la source froide.
On comprend ainsi qu'il est possible, au moins dans le cas de l'utilisation d'un carburant liquide cryogénique, d'obtenir une température de la source froide bien inférieure à ce qu'il serait possible de réaliser avec un refroidissement par les seules sources disponibles dans l'environnement, en particulier l'air dans le cas d'un aéronef, et ainsi d'obtenir un meilleur rendement thermodynamique.
La carburant liquide utilisé pour refroidir la source froide peut ensuite être envoyé vers des brûleurs de la source chaude par des circuits appropriés.
Si du carburant liquide est également utilisé pour assurer un refroidissement des parois chaudes du moteur, comme expliqué précédemment, ce dernier peut être mélangé avant la combustion avec celui ayant refroidi la source froide, ou être brûlé dans des brûleurs différents.
Dans une forme de réalisation dans lequel le carburant liquide assure les deux fonctions de refroidir la source froide et de refroidir les parois chaudes du moteur, le carburant issu de réservoirs de stockage du carburant est d'abord utilisé pour refroidir la source froide puis, encore dans une phase liquide, est utilisé pour refroidir les parois chaudes du moteur, en totalité ou en partie, seul ou en mélange avec du carburant directement issu de réservoirs de stockages.
La solution et ses modes de réalisation décrits ne sont que des exemples de réalisations susceptibles de variantes sans se départir de la présente invention.
En particulier le nombre de modules de la cellule thermoacoustique peut être différent de trois suivant les caractéristiques voulues du moteur. Le moteur peut par exemple comporter une cellule thermoacoustique à un seul module, deux modules, voire à plus de trois modules.
Les moyens pour générer l'énergie thermique et apporter cette énergie sous forme de chaleur aux étages réchauffeurs 11 peuvent être différents de ceux décrits compte tenu des faibles contraintes imposées aux sources de chaleur externe. Ainsi les sources peuvent non seulement résulter de la combustion d'un carburant liquide, hydrocarbure ou hydrogène, mais également de carburants solides tels que charbon ou bois ou d'autres sources telles que l'énergie solaire ou l'énergie produite par la fission des atomes. Sous réserve d'installation de systèmes de servitudes adaptés, un moteur 100 peut le cas échéant utiliser plusieurs types de sources de génération de chaleur, par exemple du méthane et alternativement un autre carburant liquide ou solide.
En pratique, outre la quantité de chaleur devant être apportée pour répondre aux exigences de puissance du moteur, il sera recherché une température de la source chaude adaptée à un rendement satisfaisant du moteur thermoacoustique, c'est-à-dire une température aussi élevée que possible dans les limites acceptables par des matériaux utilisés dans la réalisation du moteur.
Les matériaux constituant un moteur, envisageables aujourd'hui pour une application de propulsion d'un aéronef, permettent de considérer des températures chaudes pouvant atteindre jusqu'à 1400°C et permettant d'obtenir des rendements pouvant dépasser 70% du cycle thermodynamique théorique de Carnot.
De même les moyens pour extraire l'énergie thermique au niveau des étages refroidisseurs 12 peuvent être de toute nature et mettre en œuvre par exemple un refroidissement direct par de l'air à température ambiante, ou des circuits spécifiques de gaz ou de liquides caloporteurs entre les étages refroidisseurs et des radiateurs chargés de dissiper la chaleur prélevée, par exemple dans l'atmosphère.
Dans un mode de réalisation, toute ou partie de la chaleur reprise au niveau des étages refroidisseurs est utilisée pour réchauffer, le cas échéant vaporiser, un carburant liquide, éventuellement cryogénique utilisé par la source chaude, et par suite de refroidir la source froide.
La mise en œuvre d'un carburant cryogénique permet de former une source froide à basses températures, abaissées de 100 à 200 degrés par rapport à une température ambiante, et ainsi d'améliorer le rendement de Carnot du cycle thermodynamique qui est sensible aux écarts de températures entre les sources chaude et froide.
Le générateur 20 peut mettre en œuvre différentes technologies, mécaniques, électromécaniques, acoustiques pour produire l'onde acoustique devant être amplifiée, et pour cela utiliser une source d'énergie indépendante ou au contraire, au moins après une phase de démarrage, utiliser une partie de l'énergie produite par le moteur et reprise dans une boucle de rétroaction, par exemple électrique ou acoustique. La nature du gaz de travail et la pression de ce gaz dans l'enceinte sont également modifiables et relèvent de choix technologiques communs dans le domaine des moteurs à cycle Stirling.
L'utilisation d'hélium comme gaz de travail est connue et avantageuse en raison du comportement de ce gaz dans les échanges de chaleur, mais pose des problèmes de maintien de ce gaz confiné dans une enceinte, en particulier dans les applications à haut rendement mettant en œuvre des pressions élevées de plusieurs dizaines d'atmosphère. Pour les pressions élevées, d'autres gaz de travail sont avantageusement considérés comme par exemple de l'azote ou de l'argon.
L'utilisation de l'air est pratiquement exclue en raison de la pression d'oxygène résultant de la pression du gaz et des températures mises en œuvre.
L'homme du métier mettra en œuvre ses connaissances générales appliquées aux principes de la présente invention pour réaliser un moteur adapté à une application qu'il souhaite en faire. Il tiendra en particulier compte des conséquences du choix de la pression du gaz de travail et de la température des différentes sources de chaleur, ainsi que la fréquence de l'onde acoustique. Ces différents paramètres agissent en particulier, pour une puissance mécanique sur l'arbre de rotation donnée, sur les dimensions résultantes du moteur, et donc sa masse, qui doivent rester compatibles de l'utilisation prévue du moteur, comme par exemple dans le cas de la propulsion d'aéronefs, et sur le rendement thermodynamique du moteur.
Le moteur de l'invention présente des avantages sur les moteurs connus en permettant des rendements supérieurs tout en bénéficiant des avantages connus des moteurs à cycle Stirling en particulier pour le silence de fonctionnement et la souplesse dans le choix des carburants.

Claims

REVENDICATIONS
■ Moteur (100) thermoacoustique comportant, dans une enceinte (40) contenant un gaz de travail et agencée pour propager une onde acoustique progressive, un générateur (20) d'une onde acoustique, une cellule thermoacoustique (10) comportant au moins un module (10a, 10b, 10c), amplifiant une puissance de l'onde acoustique produite par le générateur (20), et un convertisseur (30) convertissant l'onde acoustique amplifiée en puissance mécanique, la cellule thermoacoustique (10) comportant au niveau d'une entrée de l'au moins un module de ladite cellule, du côté du générateur (20), au moins un étage refroidisseur (12) pour transférer une quantité de chaleur du gaz de travail vers une source froide (14) et comportant au niveau d'une sortie de l'au moins un module de ladite cellule, du côté du convertisseur (30), au moins un étage réchauffeur (11) pour transférer une quantité de chaleur d'une source chaude (13) vers le gaz de travail, caractérisé en ce que le convertisseur (30) comporte principalement une turbine (31) traversée par l'onde acoustique amplifiée apportant une énergie pour entraîner la turbine en rotation, ladite turbine entraînant un arbre de rotation (32) d'axe (33) dont une extrémité traverse de manière étanche au gaz de travail une paroi de l'enceinte (40).
Moteur suivant la revendication 1 dans lequel la turbine (31) est une turbine axiale, comportant un ou des rotors R comportant des pales et un ou des stators S comportant des aubes, dont les pales de rotor et les aubes de stator sont agencées pour que la turbine soit entraînée en rotation dans un même sens de rotation pour les deux sens de déplacement de molécules du gaz de travail traversant ladite turbine suivant une direction de l'axe (33) de l'arbre de rotation.
Moteur suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel le générateur (20) est alimenté en énergie par une boucle de rétroaction depuis une source de puissance disponible en sortie du moteur (100). - Moteur suivant la revendication 3 dans lequel le générateur (20) est alimenté par une énergie électrique produite par une génération électrique couplée à l'arbre de rotation (31).
Moteur suivant la revendication 3 dans lequel l'onde acoustique produite par le générateur (20) est formée par prélèvement d'une partie de l'onde acoustique amplifiée au niveau du convertisseur (30).
Moteur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel l'au moins un étage réchauffeur (11) est raccordé à une source chaude (13) par un ou plusieurs caloducs réalisant le transport de l'énergie sous forme de chaleur depuis ladite source chaude vers ledit étage réchauffeur.
Moteur suivant la revendication 6 dans lequel le ou les caloducs réalisent le transport de l'énergie sous forme de chaleur depuis ladite source chaude vers l'étage réchauffeur (11) par circulation d'un métal en phase liquide.
Moteur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel une paroi de l'enceinte (40) est formée principalement, au moins pour des parties de ladite enceinte soumises à des températures élevées du gaz de travail, d'une structure sandwich comportant une peau intérieure (41) et une peau extérieure (42), relativement minces, entre lesquelles peaux est maintenue une structure alvéolaire (43), ladite structure sandwich étant organisée pour permettre la circulation, entre ladite peau intérieure et ladite peau extérieure, d'un carburant (45) liquide destiné à apporter par combustion une énergie thermique à la source chaude (13).
■ Moteur suivant la revendication 8 dans lequel le carburant liquide est un carburant cryogénique liquide à des températures inférieures à 120 K.
- Moteur suivant la revendication 8 ou la revendication 9 dans lequel la structure sandwich dans laquelle circule le carburant liquide est dimensionnée en fonction de paramètres moteurs, notamment une température des parties chaudes et un débit de carburant nécessaire au moteur, pour que le carburant (45) reçoive lors de son passage dans la structure alvéolaire de la paroi une quantité de chaleur suffisante pour être amené à une température voulue pour être en phase vapeur lorsque le dit carburant est transféré vers la source chaude (13) pour y être brûlé. 11 - Moteur suivant l'une des revendications précédente dans lequel une quantité d'un carburant (45) liquide destiné à apporter par combustion une énergie thermique à la source chaude (13) est mis en œuvre pour refroidir la source froide (14).
Moteur suivant la revendication 11 dans lequel le carburant liquide est carburant cryogénique liquide à des températures inférieures à 120 K 13 - Moteur suivant la revendication 11 ou la revendication 12 prise en combinaison avec l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel le carburant ayant été mis en œuvre pour refroidir la source froide (14) est ensuite, en tout ou partie, mis en œuvre pour refroidir la paroi de l'enceinte (40) réalisée en structure sandwich.
14 - Moteur suivant la revendication 13 dans lequel il est mis en œuvre, pour refroidir la paroi de l'enceinte (40) réalisée en structure sandwich, une quantité de carburant en complément du carburant utilisé pour refroidir la source froide.
15 - Véhicule propulsé par un moteur (100) conforme à l'une des revendications précédentes dans lequel l'arbre de rotation (32) est connecté mécaniquement à un dispositif de propulsion. 16 - Véhicule suivant la revendication 15 dans lequel l'arbre de rotation (32) entraîne également un générateur électrique, ledit générateur électrique étant utilisé comme frein électromagnétique de force variable pour réguler la puissance mécanique de sortie utilisable sur l'arbre avec une puissance apportée par la source chaude donnée, en déplaçant le point d'équilibre entre l'énergie électrique produite et l'énergie mécanique disponible.
17 - Véhicule suivant l'une des revendications 15 ou 16 caractérisé en ce que ledit véhicule est un aéronef propulsé par un moteur (100) dont l'arbre de rotation (32) est connecté mécaniquement à une hélice.
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