FR3052146A1 - Ensemble comprenant une turbomachine avec compresseur et son procede de fonctionnement - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un ensemble (1) comprenant une turbomachine (2) avec un compresseur (3) présentant une sortie (7) et une conduite d'air de prélèvement (9) pouvant être parcourue par un courant de fuite, reliée à la sortie (7) du compresseur (3) par l'intermédiaire d'une vanne réglable (8) pour amener le courant de fuite à une unité. Ensemble caractérisé en ce que l'unité est réalisée sous la forme d'une pompe pouvant être entraînée par le courant de fuite, sous la forme d'une pompe à jet (10) ou d'un ventilateur. L'invention concerne en outre un procédé de fonctionnement de l'ensemble (1).

Description

DESCRIPTION L’invention concerne un ensemble comprenant une turbomachine avec un compresseur présentant une sortie et une conduite d’air de prélèvement pouvant être parcourue par un courant de fuite, reliée à la sortie du compresseur par l’intermédiaire d’une vanne réglable pour amener le courant de fuite à une unité.

Le terme « turbomachine » utilisé dans la présente description comprend toutes les machines à écoulement, par exemple une turbine à vapeur, une turbine à gaz, un turbocompresseur ou un réacteur.

De telles turbomachines se caractérisent par un débit massique élevé. Pour pouvoir faire fonctionner une turbomachine de manière énergétiquement efficace sur une large plage de pressions et dans différents états de fonctionnement, on utilise habituellement un dispositif de décharge pour régler le débit massique. Un tel dispositif de décharge est nécessaire pour éviter les effets défavorables qui peuvent résulter des conditions d’écoulement dans la turbomachine. Les turbomachines sont en mesure de transporter un débit massique très important, des conditions de pression moyenne étant en général présentes. Π est courant de munir une turbomachine d’une conduite d’air de prélèvement statique ou réglable, que l’on désigne aussi dans le jargon technique du domaine par bypass (dérivation) ou « bleed valve » (« vanne de saignement »). La conduite d’air de prélèvement permet de prélever un courant de fuite d’un étage de compresseur de la turbomachine, ce qui assure que le compresseur ne travaille pas contre un volume fermé. Cependant, le courant de fuite produit une perte d’énergie d’entraînement car il a auparavant parcouru un ou plusieurs étages de compresseur. Le courant de fuite, également désigné par « bleed air », est utilisé, par exemple dans les aéronefs, pour climatiser la cabine. De cette manière, il est possible d’utiliser au moins en partie l’énergie contenue dans le courant de fuite, qui autrement serait perdue.

On connaît du document US 5,137,230 A une turbine à gaz pour un avion au compresseur duquel est raccordée une conduite d’air de prélèvement. Par commande d’une vanne, il est possible de prélever d’un étage de compresseur un courant de fuite et de l’amener à un pré-refroidisseur. L’air est ensuite amené à un système de climatisation qui conditionne le courant de fuite au moyen d’une unité turbine-compresseur et d’un échangeur de chaleur. Le courant d’air disponible à la sortie du système de climatisation est utilisé pour réguler la température de la cabine de passagers de l’avion. D’une manière analogue, il est aussi proposé dans le document US 2015/0176501 Al d’amener un courant de fuite à une unité turbine-compresseur par l’intermédiaire d’une conduite d’air de prélèvement. De là, une partie du courant de fuite parvient à un système de climatisation (environmental control System, ECS) ou à une installation de dégivrage.

Le but de l’invention est d’indiquer un ensemble comprenant une turbomachine qui offre des possibilités d’utilisation étendues d’un courant de fuite prélevé par l’intermédiaire d’une conduite d’air de prélèvement.

Pour atteindre ce but, il est prévu dans un ensemble du type mentionné dans le paragraphe introductif que l’unité soit réalisée sous la forme d’une pompe pouvant être entraînée par le courant de fuite, sous la forme d’une pompe à jet ou d’un ventilateur.

Dans le cadre de l’invention, il a été découvert que le courant de fuite prélevé par l’intermédiaire de la conduite d’air de prélèvement pouvait ne pas être utilisé seulement pour le refroidissement ou la ventilation d’une cabine d’avion. Selon l’invention, la conduite d’air de prélèvement est reliée, par exemple, à une unité réalisée sous la forme d’une pompe. La pompe est entraînée par le courant de fuite, plus exactement par son énergie cinétique, c’est-à-dire sous l’effet de la vitesse d’écoulement du fluide en circulation, en particulier de l’air traversant la turbomachine. En plus de cela, il est également possible d’utiliser l’énergie potentielle contenue dans le courant de fuite pour entraîner l’unité, en particulier une pompe, sous l’effet de la surpression produite dans le compresseur. La pompe entraînée au moyen du courant de fuite peut assumer une fonction déterminée de l’ensemble selon l’invention, de sorte qu’il est possible de renoncer à une pompe séparée ou une autre unité. Il est concevable aussi qu’une unité, par exemple une pompe traditionnelle, puisse être dimensionnée plus petite étant donné qu’une partie de l’énergie d’entraînement est prélevée du courant de fuite.

Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la sortie du compresseur est reliée à la vanne réglable par l’intermédiaire d’un plénum. Le plénum présente un volume et sert à la répartition du débit massique produit par le compresseur. Le plénum présente au moins une première sortie. À ladite au moins une première sortie sont ou peuvent être reliés des sous-ensembles qui sont ou peuvent être alimentés par un débit massique produit par le compresseur. La vanne réglable est raccordée à une deuxième sortie du plénum et donc reliée à celui-ci. La vanne réglable a pour fonction, par ouverture et fermeture correspondante, de régler une pression déterminée dans le plénum. Dans un état ouvert de la vanne réglable, un courant de fuite est prélevé ou soutiré du plénum au moyen de la vanne réglable. Par exemple, si la pression dans le plénum dépasse une valeur déterminée, la vanne réglable est ouverte, de sorte que la pression dans le plénum diminue à la valeur de consigne. Le courant de fuite ainsi prélevé s’écoule par conséquent via la vanne réglable dans la conduite d’air de prélèvement et peut être amené par celle-ci à l’unité. L’invention permet donc d’utiliser l’énergie du courant de fuite qui s’écoule à travers la vanne réglable pour entraîner l’unité.

Dans l’ensemble selon l’invention, il peut être prévu que l’unité soit réalisée sous la forme d’une pompe à jet. Il s’agit d’une pompe servant à transporter un milieu gazeux ou liquide qui peut être entraînée seulement par le courant de fuite, c’est-à-dire par l’air de prélèvement prélevé d’un étage de compresseur. Il en résulte l’avantage que la pompe à jet permet de transporter un autre milieu que le courant de fuite, par exemple l’air ambiant ou l’air de cabine, de sorte qu’aucune ou seulement une plus petite unité est nécessaire pour cela. En variante, l’unité de l’ensemble selon l’invention peut aussi être réalisée sous la forme d’un ventilateur. Le ventilateur permet de transporter un gaz, par exemple de l’air de refroidissement ou de l’air utilisé pour la régulation de température.

Dans l’ensemble selon l’invention, il est préféré que ni un pré-refroidisseur ni un compresseur ne soit disposé entre la vanne réglable et l’unité. En conséquence, l’unité de l’ensemble selon l’invention est reliée directement au compresseur ou à un étage de compresseur via la conduite d’air de prélèvement. En particulier, il n’y a pas de composants qui influencent sensiblement le courant de fuite, c’est-à-dire qui utilisent l’énergie contenue dans le courant de fuite ou qui compriment, détendent, réchauffent ou refroidissent le courant de fuite. Étant donné que l’unité est reliée directement au compresseur, l’ensemble selon l’invention peut être fabriqué de manière peu onéreuse.

Une variante particulièrement préférée de l’invention prévoit que l’unité puisse être entraînée par l’énergie contenue dans le courant de fuite. L’unité est ainsi entraînée directement par l’énergie cinétique et/ou potentielle contenue dans le courant de fuite. Étant donné qu’aucune conversion ou aucun conditionnement du courant de fuite n’est nécessaire, l’ensemble selon l’invention peut fonctionner de manière particulièrement efficace du point de vue énergétique.

Des modes de réalisation préférés de l’invention prévoient que l’ensemble présente au moins un composant qui peut être soumis par l’unité à un courant d’air pour la régulation de température et/ou la ventilation et qui est sélectionné dans le groupe suivant : pile à combustible, ensemble pile à combustible, reformeur, reformeur de méthanol.

Il entre aussi dans le cadre de l’invention que l’ensemble soit réalisé sous la forme d’un ensemble stationnaire d’alimentation en énergie ou, en variante, sous la forme d’un aéronef, d’un véhicule terrestre ou d’un navire. Les différents modes de réalisation décrits peuvent bien entendu être combinés entre eux en différentes variantes. Par exemple, il est possible qu’un ensemble présente plusieurs turbomachines ou qu’une turbomachine présente plusieurs conduites d’air de prélèvement qui sont reliées à différentes unités, en particulier à des pompes, pompes à jet ou ventilateurs. L’invention concerne par ailleurs un procédé de fonctionnement pour un ensemble comprenant une turbomachine avec un compresseur, une chambre de combustion et une turbine ainsi qu’une conduite d’air de prélèvement parcourue ou pouvant être parcourue par un courant de fuite, qui est reliée au compresseur par l’intermédiaire d’une vanne réglable, le courant de fuite étant ou pouvant être amené à une unité par l’intermédiaire de la conduite d’air de prélèvement.

Le procédé de fonctionnement selon l’invention se caractérise en ce que l’on utilise comme unité une pompe entraînée ou pouvant être entraînée par le courant de fuite, une pompe à jet ou un ventilateur. L’ensemble, dont le procédé de fonctionnement fait également partie de l’invention, peut en outre présenter une ou plusieurs des autres caractéristiques évoquées précédemment. L’invention est expliquée plus en détail ci-après à l’aide d’exemples de réalisation en se référant aux dessins. Les dessins sont des représentations schématiques et montrent : figure 1 un premier exemple de réalisation d’un ensemble selon l’invention ; et figure 2 un deuxième exemple de réalisation d’un ensemble selon l’invention. L’ensemble 1 représenté schématiquement sur la figure 1 comprend une turbomachine 2, réalisée sous la forme d’un turbocompresseur, avec un compresseur 3 qui présente une entrée 4 pour un gaz aspiré, comme par exemple de l’air. Le gaz entrant est représenté schématiquement sur la figure 1 par une flèche 5. Le compresseur 3 présente une sortie 7 reliée à un plénum 6. Le plénum 6 sert à la répartition du débit massique produit par le compresseur 3. Plusieurs sorties 20 qui sont reliées à d’autres sous-ensembles non représentés sont prévues à cet effet. Pour faire fonctionner la turbomachine 2 à un point de travail déterminé à l’intérieur d’un diagramme caractéristique défini, le plénum 6 présente une vanne réglable 8. La vanne réglable 8 sert à régler une pression déterminée dans le plénum 6 par ouverture partielle ou totale de la vanne réglable 8. À la vanne réglable 8 est raccordée une conduite d’air de prélèvement 9 par l’intermédiaire de laquelle le plénum 6 est relié à une unité qui, dans cet exemple de réalisation, est réalisée sous la forme d’une pompe à jet 10. La pompe à jet 10 est ainsi entraînée par un courant de fuite (débit massique de fuite) qui, dans les ensembles traditionnels, s’échappe sans être utilisé. L’ensemble 1 représenté sur la figure 1 permet au contraire d’utiliser l’énergie contenue dans le courant de fuite, en particulier l’énergie cinétique et l’énergie potentielle, pour entraîner la pompe à jet 10. Lorsque la pompe à jet 10 est entraînée, elle produit un débit massique. Elle peut, par exemple, être utilisée comme pompe à vide. En variante, elle peut être employée pour la ventilation contrôlée et/ou la régulation de température d’un sous-ensemble. Dans cet exemple de réalisation, la pompe à jet 10 est reliée par une conduite à dépression 11 à un ensemble pile à combustible 12. De cette manière, la dépression produite par la pompe à jet 10 permet de réaliser une ventilation ciblée de l’ensemble pile à combustible 12.

Après la traversée de la pompe à jet 10, le courant de fuite parvient, via une conduite 13, à une sortie 14 de l’ensemble 1. L’ensemble 1 qui comprend la turbomachine 2 et l’ensemble pile à combustible 12 fait, dans cet exemple, partie d’un avion.

La figure 2 montre un autre exemple de réalisation d’un ensemble 15 qui correspond dans une large mesure à l’ensemble 1 représenté sur la figure 1. Par conséquent, les mêmes références sont utilisées pour les composants correspondants. Comme dans le premier exemple de réalisation, l’ensemble 15 comprend une turbomachine 2 avec le compresseur 3 qui présente l’entrée 4 et la sortie 7. À celle-ci est raccordé le plénum 6 qui présente un petit volume par rapport au débit massique de la turbomachine 2. Au plénum 6 est raccordée la vanne réglable 8 qui est reliée via la conduite d’air de prélèvement 9 à une unité réalisé sous la forme d’un ventilateur 17. Le ventilateur 17 est entraîné par le courant de fuite dérivé du compresseur 3. Le ventilateur 17 est relié par une conduite 18 à un reformeur 19 d’un ensemble pile à combustible (non représenté). Le reformeur 19 est ventilé activement au moyen du ventilateur 17. En outre, un courant d’air de refroidissement dirigé peut être produit. Le reformeur 19 peut de plus être soumis à une faible dépression par rapport à l’environnement.

Les ensembles 1, 15 représentés sur les figures 1 et 2 permettent d’utiliser l’énergie contenue dans le courant de fuite du compresseur 3 pour entraîner une unité, qui peut être réalisée, par exemple, sous la forme d’une pompe à jet 10 ou d’un ventilateur 17. Ainsi, l’énergie contenue dans le courant de fuite, qui, dans les applications traditionnelles, est libérée dans l’environnement en étant partiellement ou entièrement inutilisée, est convertie pour une part considérable en énergie cinétique, ce qui permet à la turbomachine 2, 16 de fonctionner plus efficacement du point de vue de sa consommation d’énergie. La pompe à jet 10 et le ventilateur 17 peuvent par conséquent remplacer d’autres entraînements ou de tels autres entraînements peuvent être réalisés plus petits et plus légers, ce dont il résulte des avantages en termes de poids et de coût.

Les éléments, composants, parties et objets suivants sont référencés sur les figures des dessins annexés : 1 ensemble 2 turbomachine 3 compresseur 4 entrée 5 flèche 6 plénum 7 sortie 8 vanne réglable 9 conduite d’air de prélèvement 10 pompe à jet 12 ensemble pile à combustible 13 conduite 14 sortie 15 ensemble 16 turbomachine 17 ventilateur 18 conduite 19 reformeur 20 sortie

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Ensemble (1, 15) comprenant une turbomachine (2, 16) avec un compresseur (3) présentant une sortie (7) et une conduite d’air de prélèvement (9) pouvant être parcourue par un courant de fuite, reliée à la sortie (7) du compresseur (3) par l’intermédiaire d’une vanne réglable (8) pour amener le courant de fuite à une unité, ensemble caractérisé en ce que l’unité est réalisée sous la forme d’une pompe pouvant être entraînée par le courant de fuite, sous la forme d’une pompe à jet (10) ou d’un ventilateur (17).
2. 2. Ensemble (1, 15) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie (7) du compresseur (3) est reliée à la vanne réglable (8) par l’intermédiaire d’un plénum (6).
3. 3. Ensemble (1, 15) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ni un pré-refroidisseur ni un compresseur n’est disposé entre la vanne réglable (8) et l’unité.
4. 4. Ensemble (1, 15) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité peut être entraînée par l’énergie contenue dans le courant de fuite.
5. 5. Ensemble (1, 15) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il présente au moins un composant qui peut être soumis par l’unité à un courant d’air pour la régulation de température et/ou la ventilation et qui est sélectionné dans le groupe suivant : pile à combustible, ensemble pile à combustible (12), reformeur (19), reformeur de méthanol.
6. 6. Ensemble (1, 15) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est réalisé sous la forme d’un ensemble stationnaire d’alimentation en énergie ou sous la forme d’un aéronef, d’un véhicule terrestre ou d’un navire.
7. 7. Procédé de fonctionnement pour un ensemble (1, 15) comprenant une turbomachine (2, 16) avec un compresseur (3) présentant une sortie (7), une chambre de combustion et une turbine ainsi qu’une conduite d’air de prélèvement (9) parcourue ou pouvant être parcourue par un courant de fuite, qui est reliée à la sortie (7) du compresseur (3) par l’intermédiaire d’une vanne réglable (8), le courant de fuite étant ou pouvant être amené à une unité par l’intermédiaire de la conduite d’air de prélèvement (9), caractérisé en ce que l’on utilise comme unité une pompe entraînée ou pouvant être entraînée par le courant de fuite, une pompe à jet (10) ou un ventilateur (17).
8. 8. Procédé de fonctionnement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie (7) du compresseur (3) est reliée à la vanne réglable (8) par l’intermédiaire d’un plénum (6) et le courant de fuite est prélevé du plénum au moyen de la vanne réglable (8).
9. 9. Procédé de fonctionnement selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l’unité est entraînée par l’énergie contenue dans le courant de fuite.
10. 10. Procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l’on utilise au moins un composant qui est ou peut être soumis par l’unité à un courant d’air pour la régulation de température et/ou la ventilation et qui est sélectionné dans le groupe suivant : pile à combustible, ensemble pile à combustible (12), reformeur (19), reformeur de méthanol.