Domaine de l'invention

La présente invention se rapporte à un moteur thermique du type comportant un générateur de gaz alimentant en gaz moteur une turbine. La turbine est reliée à un arbre moteur qu'elle entraîne. L'application visée est notamment la propulsion d'aéronefs dans le domaine aéronautique.

Etat de la technique exposé du problème. Pour l'entraînement de machines ou la propulsion de véhicules de toutes sortes, une première catégorie de moteurs comprend les moteurs à cycle ouvert que sont les moteurs à turbine à gaz. Dans le domaine aéronautique, ils se présentent sous la forme de turboréacteurs, de turbomoteurs ou de turbopropulseurs. Une autre catégorie comprend les moteurs à combustion interne tels que les moteurs à allumage par compression dits à cycle diesel ou les moteurs à allumage commandé.

Les moteurs de la seconde catégorie ont des consommations spécifiques meilleures que ceux de la première. Par ailleurs, les technologies utilisées pour les températures de la chambre de combustion et de la turbine haute -pression rendent l'achat et la maintenance plus onéreux sur ces motorisations.

Cependant dans le domaine aéronautique en particulier, la généralisation des moteurs de la seconde catégorie pour des fortes puissances est limitée par le fort acyclisme généré sur l'arbre de sortie. Celui-ci est néfaste aux hélices (en particulier aux hélices rapides à profil fin) et aux trains d'engrenages. Par ailleurs pour ces moteurs, la stabilité de la combustion est également moins bonne à haute altitude et basse température, réduisant la plage de puissance utilisable.

La consommation spécifique des turbomoteurs et turbopropulseurs peut être améliorée en optimisant les chambres de combustion et les rendements des compresseurs et turbines, ou encore à l'aide d'un cycle à récupération. Elle ne peut cependant atteindre celles des moteurs à combustion interne en raison d'un rendement de cycle plus faible. Il est en effet impossible d'atteindre les mêmes pressions de combustion qu'un moteur diesel, en raison en particulier de la limite thermique du premier étage de turbine. De plus, le rendement des turbines à gaz se dégrade rapidement lorsqu'on s'écarte des conditions optimales d'adaptation des compresseurs et turbines.

L'acyclisme des moteurs à piston peut être traité par des dispositifs amortisseurs de torsion dissipatifs ou des résonateurs. Cependant les amortisseurs de torsion sont soit lourds et complexes, voir les amortisseurs dissipatifs de type DVA utilisés en automobile, avec circuit de lubrification dédié, soit introduisent des régimes de rotation critiques, voir les amortisseurs résonateurs, de type pendules bifilaires utilisés en aviation générale et pour la compétition automobile. De toute façon, il reste difficile d'atteindre les faibles acyclismes des turbines à gaz.

La stabilité de la combustion des moteurs diesel à haute altitude peut être améliorée à l'aide de dispositifs d'allumage commandé, de brûleurs ou d'alimentation en air pressurisé.

Des moteurs à pistons libres dont la puissance est récupérée sur une turbine pour l'entraînement d'une hélice ont été proposés. La compression et la détente s'effectuent de part et d'autre d'un piston à double action - cycle diesel 2 temps - qui ne transmet donc pas d'effort à une ligne d'arbre. Des solutions similaires ont été réalisées pour des applications de transport ferroviaire et naval. Cependant l'architecture du moteur est complexe. Cette solution ne permet pas d'utiliser des technologies modernes de combustion diesel à quatre temps. Elle est également plus contraignante thermiquement en raison du cycle à deux temps. Elle est très peu répandue industriellement et plus difficile à maîtriser en raison du bruit généré et de la fiabilité. La présente invention a pour objet un moteur thermique combinant les avantages des deux catégories de moteur sans en avoir les inconvénients. Exposé de l'invention

Conformément à l'invention, le moteur thermique pour l'entraînement d'un arbre moteur, comprenant au moins un générateur de gaz et une turbine, le générateur de gaz alimentant la turbine en gaz moteur et la turbine entraînant en rotation l'arbre moteur, est caractérisé par le fait que le générateur de gaz est un moteur à combustion interne à quatre temps, qu'il comprend un compresseur d'alimentation en air du moteur à combustion interne, le compresseur étant entraîné mécaniquement par le moteur à combustion interne, et que la turbine est libre mécaniquement par rapport au moteur à combustion interne.

Ainsi, la solution consiste à se servir d'un moteur à quatre temps comme générateur de gaz chauds, alimentant une turbine libre sur laquelle est prélevée la puissance motrice par un récepteur. Le travail du moteur à combustion interne est récupéré par le compresseur. Cette turbine libre est alimentée par le moteur à quatre temps, dans lequel s'effectuent les phases de détente et de compression à haute pression (HP) normalement réalisées sur des étages compresseurs et turbines HP sur un moteur à cycle ouvert. Le rapport volumétrique du générateur de gaz est ainsi très largement inférieur à celui d'un moteur à combustion interne classique car la phase de détente ne doit pas prélever trop d'énergie aux gaz brûlés, afin d'alimenter la turbine libre avec un gaz présentant une pression et une température suffisantes. Elle prélève juste assez d'énergie pour permettre le travail du piston sur les trois autres temps : échappement, admission et compression, et pour entraîner le compresseur basse pression (BP).

Selon un mode de réalisation, le générateur de gaz chauds est un moteur diesel.

Selon un autre mode de réalisation, le moteur comprend comme générateur de gaz un moteur à combustion interne à allumage commandé. Celui-ci soit se substitue au moteur diesel soit est combiné à celui-ci. Avantageusement, le compresseur est entraîné par le moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'une boîte à engrenages et de préférence un échangeur de chaleur est disposé entre le compresseur et le moteur à combustion interne, ou entre plusieurs étages du compresseur

La solution de l'invention permet l'agencement d'un moyen de prélèvement d'air entre le compresseur et le moteur à combustion interne. Conformément à une variante de réalisation, un conduit de dérivation est agencé entre le compresseur et la turbine libre. Son but est, par exemple pour une puissance requise élevée, d'augmenter le débit de gaz donc le travail disponible sur la turbine tout en diluant les gaz chauds issus du moteur à combustion interne pour ne pas dépasser la limite thermique de la turbine. Il permet aussi d'adapter les points de fonctionnement du compresseur et de la turbine pour optimiser le rendement global.

Selon un autre mode de réalisation permis par la solution de l'invention, une chambre de combustion auxiliaire est ménagée entre l'échappement du moteur à combustion interne et la turbine libre, avec éventuellement un conduit de dérivation tel que mentionné ci-dessus. Un compresseur supplémentaire peut aussi être prévu entre l'échappement du moteur à combustion interne et la chambre de combustion auxiliaire.

La chambre de combustion auxiliaire est ainsi alimentée en flux continu par une partie ou la totalité des gaz issus du générateur de gaz formé par le moteur à combustion interne, et éventuellement par une dérivation de l'air provenant directement du compresseur entraîné par le moteur à combustion interne. Dans la seconde configuration, cette dérivation apporte de l'air non brûlé qui permet des conditions de mélange des gaz à l'échappement du générateur de gaz favorables à la combustion. Cette chambre est équipée d'un ou de plusieurs injecteurs de carburant et éventuellement d'un ou de plusieurs allumeurs pour les phases de démarrage. Selon un mode de réalisation permettant d'améliorer le rendement, le carburant est injecté par impulsions et non de façon continue, le débit de carburant peut ainsi être injecté en phase avec les bouffées de gaz issues de l'échappement de chaque cylindre. La chambre de combustion auxiliaire peut-être utilisée pendant des phases de démarrage, afin d'initier l'entraînement du compresseur. Dans ce cas, cette solution utilise avantageusement la dérivation de l'air provenant du compresseur afin d'augmenter le débit et donc l'énergie disponible sur la turbine, tandis que le générateur de gaz est encore à l'arrêt ou au ralenti, l'arbre du moteur à combustion interne étant entraîné par un démarreur, par exemple électrique ou pneumatique. Dans cette phase de démarrage, le moteur fonctionne comme un moteur à turbine à gaz. Selon un mode réalisation avantageux, l'énergie récupérée par le récepteur entraîné par la turbine libre est transmise au système de démarrage du générateur de gaz, pour lui permettre d'atteindre le régime de ralenti stabilisé. Une fois ce régime atteint l'injection dans la chambre de combustion auxiliaire peut-être arrêtée et la dérivation d'air fermée. La chambre de combustion auxiliaire a également comme fonction d'apporter le cas échéant un complément de puissance en régime permanent. La combustion du carburant fourni par l'injecteur auxiliaire permet d'augmenter la température des gaz en provenance du générateur de gaz et donc la puissance sur la turbine et le récepteur, indépendamment de la puissance sur le générateur de gaz. La dérivation d'air non brûlé en provenance du compresseur peut-être ouverte afin d'augmenter la réactivité du mélange de gaz dans la chambre auxiliaire.

Selon un autre mode de réalisation, une turbine supplémentaire alimentée par une partie des gaz d'échappement du moteur à combustion interne est ménagée en aval de l'échappement du moteur à combustion interne, l'arbre de la turbine étant lié mécaniquement à celui du moteur à combustion interne.

Les avantages de la solution de l'invention par rapport à l'art antérieur sont notamment :

Niveau de vibrations réduit par rapport à un moteur diesel : La solution décrite permet d'obtenir des vibrations de torsion faibles sur l'arbre de sortie. Les pulsations de débit liées au fonctionnement alternatif du générateur de gaz peuvent être lissées dans un collecteur de gaz.

Stabilité de la combustion : Comme le compresseur est entraîné mécaniquement par le générateur de gaz et n'est pas relié à l'arbre de sortie, il est possible d'assurer les conditions de température et pression évitant l'extinction indépendamment de la puissance absorbée par le récepteur. De plus, la combustion n'est pas sujette aux contraintes de richesse et de turbulence d'une chambre de combustion de turbine à gaz, en particulier en régime transitoire.

Gain de consommation par rapport à un moteur à cycle ouvert : L'amélioration s'obtient sur la puissance d'entraînement du compresseur. Cette puissance est prise sur un générateur de gaz, de préférence diesel avec un meilleur rendement en raison des fortes températures et pressions de cycle. Le rendement peut encore être amélioré en refroidissant l'air après chaque étage de compression BP. Rapport poids/puissance amélioré : La forte suralimentation permet de réduire la cylindrée du générateur de gaz, par rapport à un moteur à combustion interne de même puissance. En revanche, un train d'engrenages est souhaitable pour l'entraînement du compresseur et un autre entre l'arbre de la turbine libre et le récepteur.

Architecture : Il n'y a ni couplage aérodynamique ni couplage mécanique entre le générateur de gaz et le récepteur. Il n'y a donc pas de contrainte d'installation, en dehors de limiter les pertes de charge et les transferts thermiques en amont de la turbine libre. On peut également réaliser des prélèvements d'air sur le compresseur BP pour des servitudes (pressurisation cabine, dégivrage) ou ajuster le point de fonctionnement de chaque étage. On peut aussi surdimensionner le compresseur et prélever une partie de l'air comprimé pour diluer les gaz d'échappement, avant la turbine (pour augmenter le débit de gaz en diminuant la température entrée turbine par exemple).

Coût de fabrication : la solution ne nécessite pour le générateur de gaz pas de chambre de combustion en cycle ouvert ni de turbine HP, qui sont les éléments nécessitant les technologies les plus pointues sur les moteurs à turbines à gaz en raison des contraintes thermiques élevées.

Dans le mode de réalisation avec chambre de combustion auxiliaire, celle-ci apporte des avantages spécifiques pour les phases de démarrage et de surpuissance.

Pour les phases de démarrage, le générateur de gaz ayant un faible rapport volumétrique, son démarrage est favorisé par un apport d'air pressurisé. Pour cela, il est nécessaire de fournir une énergie importante au générateur de gaz afin qu'il entraîne le compresseur. Cette énergie est avantageusement issue de la turbine alimentée en gaz brûlés à travers la chambre auxiliaire et la dérivation d'air provenant du compresseur. Cette turbine est alors assimilable à une turbine à gaz conventionnelle. L'énergie récupérée sur le récepteur est restituée au démarreur pneumatique ou électrique du générateur de gaz. Cette configuration diminue largement le besoin de stockage en énergie électrique.

Pour les phases de surpuissance, qui sont usuellement requises sur les aéronefs pendant des durées courtes telles que les phases de décollage ou en cas d'urgence, l'apport de puissance sur la turbine par la chambre de combustion auxiliaire permet de limiter le dimensionnement du générateur de gaz à sa puissance nominale, Le rendement thermique global se trouve dégradé pendant les phases de surpuissance, à cause du moindre rendement de combustion de la chambre auxiliaire. Mais ces phases sont limitées dans le cycle d'utilisation du moteur. Les dimensions réduites du générateur de gaz apportent un gain de masse et d'encombrement par rapport à un même système qui aurait été dimensionné pour permettre de réaliser la surpuissance sans apport d'une chambre de combustion auxiliaire.

Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement avec la description explicative détaillée qui suit, d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins :

- la figure 1 représente le schéma d'une installation de l'art antérieur avec turbine libre et moteur à turbine à gaz formant le générateur de gaz ;

- la figure 2 représente le schéma d'une installation conforme à l'invention ;

- la figure 3 représente le schéma d'une installation conforme à l'invention, comprenant une chambre de combustion auxiliaire.

Description détaillée de l'invention. En se reportant à la figure 1 , le schéma montre une installation conventionnelle 1 avec un générateur de gaz 3 et une turbine libre 6 entraînant une machine réceptrice 7. Le générateur de gaz comprend sur un même arbre des compresseurs 2 à plusieurs étages, à basse et haute pression, alimentant une chambre de combustion 4 à cycle ouvert dont les gaz de combustion qui en sont issus sont détendus partiellement dans la turbine 5. Cette turbine entraîne par l'arbre commun les compresseurs 2. Après avoir été détendus en partie dans la turbine 5, les gaz sont introduits dans la turbine libre 6 dont l'arbre est accouplé à celui de la machine réceptrice 7 qui dans le domaine aéronautique est généralement une hélice. On note que le cycle est à combustion à pression constante dans la chambre de combustion 4.

Conformément à l'invention, on substitue un moteur à combustion interne à quatre temps au moteur à turbine à gaz pour le générateur de gaz. Sur la figure 2, la même turbine libre 6 entraîne la machine réceptrice 7.

Le générateur de gaz 13 comprend un moteur à combustion interne 14, à quatre temps, avantageusement un moteur diesel. Mais il pourrait s'agir d'un moteur à allumage commandé.

Le moteur 14 à combustion interne comprend classiquement des cylindres avec lesquels les pistons qu'ils contiennent délimitent des chambres de combustion. Les pistons sont montés sur un vilebrequin 20 dont la rotation assure le déplacement de va et vient des pistons à l'intérieur des cylindres ainsi que la commande des soupapes d'admission et d'échappement pour chaque chambre.

Pour chacun des cylindres, ici quatre, 15, 16, 17 et 18, s'opèrent successivement les quatre temps du cycle, à savoir aspiration, compression, détente et échappement. L'échappement des cylindres communique avec un collecteur d'échappement 19 qui guide les gaz, après échappement des cylindres, dans le collecteur d'admission des gaz de la turbine libre 6. Les gaz sont détendus dans la turbine 6 puis sont évacués, après un passage éventuel à travers un récupérateur, non montré. Le vilebrequin 20 est relié mécaniquement à un compresseur 21 par l'intermédiaire d'une boîte à engrenages 22 de manière à adapter la vitesse de rotation du compresseur 21 à la propre vitesse de fonctionnement de celui-ci, qui est différente de celle du moteur 14. Le compresseur alimente les cylindres en air à une pression aussi élevée que possible, avantageusement après que celui-ci a été refroidi dans un échangeur de chaleur approprié 23

En fonctionnement, l'air est aspiré par le compresseur 21 , refroidi éventuellement dans l'échangeur 23, admis dans les cylindres avec un carburant convenable, comprimé, brûlé, détendu et évacué dans le collecteur 19 puis admis dans la turbine 6. La puissance est prélevée sur l'arbre entraînant le récepteur 7. Conformément à une variante de réalisation, un conduit de dérivation 25 est agencé entre le compresseur et la turbine libre de manière à guider une partie de l'air issu du compresseur directement vers la turbine libre 6 sans passer au travers du moteur à combustion interne. Il permet pour certaines phases de fonctionnement du moteur telles qu'une demande de puissance supplémentaire d'augmenter le débit de gaz donc le travail disponible sur la turbine tout en diluant les gaz chauds issus du moteur à combustion interne pour ne pas dépasser la limite thermique de la turbine. Il permet aussi d'adapter les points de fonctionnement du compresseur et de la turbine pour optimiser le rendement global.

Comme mentionné plus haut, le rapport volumétrique du générateur de gaz est ici très largement inférieur à celui d'un moteur classique car la phase de détente est agencée de manière à prélever l'énergie juste suffisante pour permettre le travail du piston sur les trois autres temps et entraîner le compresseur 21. L'essentiel de l'énergie des gaz brûlés est destiné à alimenter la turbine de puissance 6 avec suffisamment de pression et de température.

Dans un moteur diesel à quatre temps classique, le bilan thermique s'établit ainsi, par rapport à la puissance chimique disponible :

Puissance cédée aux gaz d'échappement : 45%

Puissance dissipée par transferts thermiques et frottements : 15%

Puissance disponible sur l'arbre de sortie : 40% contre 20 à 30% pour un moteur à cycle ouvert.

Par rapport à ce bilan d'un moteur « classique », le générateur de gaz de l'installation de la figure 2 fournit un travail disponible sur le vilebrequin moindre par la diminution du rapport volumétrique. Le travail disponible sur l'arbre est réduit à la quantité juste nécessaire pour l'entraînement du compresseur. Cependant, d'une part, il assure la même pression maximum de combustion grâce à une pression en sortie du compresseur plus élevée qu'un moteur classique. D'autre part, la puissance cédée aux gaz d'échappement est plus élevée que dans un moteur classique et permet de se servir de l'arbre turbine comme arbre moteur.

Comme la puissance est prise sur une turbine, il s'agit pour le générateur de gaz à combustion interne d'avoir suffisamment de débit d'air et de pression, sans augmenter trop la cylindrée et donc la masse. Ceci est permis par une alimentation des cylindres à très forte pression et par la réduction du rapport volumétrique. Ainsi on maintient une pression de combustion très élevée qui permet un rendement optimal, avec une cylindrée plus faible qu'un moteur diesel de même puissance. Le refroidissement de l'air après le compresseur permet aussi de diminuer la cylindrée nécessaire. La tenue thermique de la chambre de combustion doit être garantie malgré le fort taux de compression à l'entrée des cylindres. Il est à noter que le cycle à quatre temps est moins sévère de ce point de vue qu'un cycle à deux temps.

On peut aussi refroidir l'air après chaque étage de compression, afin de limiter la température des cylindres et de la turbine évitant ainsi d'utiliser des technologies coûteuses.

Le refroidissement diminue aussi le travail nécessaire pour la compression. Par rapport à un moteur à cycle ouvert, la solution de l'invention permet des rapports de détente supérieurs dans la turbine libre, et un ratio air - carburant plus faible. Cela permet de limiter le débit d'air et/ou la température en entrée de la turbine libre à puissance égale.

Conformément à une variante de réalisation représentée sur la figure 3, une chambre de combustion auxiliaire est incorporée entre l'échappement du moteur à combustion interne et la turbine libre.

Sur la figure 3, les gaz issus du moteur à combustion interne 14 passent dans le collecteur 19 et alimentent une chambre de combustion auxiliaire 30 qui est équipée d'un injecteur auxiliaire de carburant 31 et éventuellement d'un allumeur 33. Le conduit de dérivation d'air 25 débouche également dans la chambre de combustion auxiliaire 30. Il peut être raccordé éventuellement au collecteur 19. Les gaz issus de la chambre de combustion sont ensuite dirigés vers la turbine libre 6.

L'injection de carburant dans la chambre de combustion auxiliaire 30 est commandée suivant la phase ou le mode de fonctionnement du moteur. Les gaz de la chambre de combustion auxiliaire proviennent ainsi soit des cylindres, soit de la dérivation 25, soit partiellement de chaque circuit. Les débits de gaz de chaque circuit sont contrôlés par des vannes appropriées. Le conduit 25 est par exemple pourvu d'une vanne 26 commandant la dérivation de l'air venant du compresseur 21. Un mode de fonctionnement au démarrage est par exemple le suivant. Le moteur à combustion interne 14 est entraîné par un démarreur non représenté alimenté en énergie électrique ou pneumatique selon le cas. Il entraîne le compresseur qui alimente la chambre de combustion auxiliaire. Les gaz produits entraînent la turbine qui fournit, par l'intermédiaire du récepteur 7 et d'un agencement approprié, de l'énergie additionnelle au démarreur. Ce dernier peut alors entraîner le moteur à combustion interne avec une puissance suffisante pour le démarrer convenablement.

Selon d'autres modes de réalisation non représentés,

un compresseur est incorporé entre l'échappement du moteur à combustion interne et la chambre de combustion, ou

une turbine supplémentaire est alimentée par une partie des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, l'arbre de la turbine supplémentaire étant lié mécaniquement à celui du moteur à combustion interne.