GE ERATEUR MAGNETOHYDRODYNANIOUE La présente invention concerne le domaine de la magnétohydrodynamique et en particulier son utilisation pour la récupération d'au moins une partie de l'énergie résiduelle du fluide de travail d'une turbine, On entend par turbine un dispositif rotatif destiné à utiliser l'énergie d'un fluide de travail pour faire tourner un arbre rotatif. L'énergie du fluide de travail^ caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est ainsi partiellement convertie en énergie mécanique qui peut être extraite par l'arbre rotatif. Toutefois, ie fluide de travail garde normalement, en aval de la turbine, une importante énergie résiduelle, Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide de travail.

Dans la demande de brevet français FR 2 085 190,, on a déjà proposé d'utiliser un générateur magnétohydrodynamique en complément d'une turbine pour récupérer de l ^' énergie contenue dans le fluide de travail de la turbine. Dans un tel générateur magnétohydrodynarnique, l'écoulement d'un fluide ionisé, soumis à un champ magnétique en direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide ionisé, génère un courant électrique entre deux électrodes espacées l'une par rapport à l'autre dans une autre direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide Ionisé et au champ magnétique.

En pratique., toutefois, l'intégration d'un tel générateur magnétohydrodynarnique et d'une turbine n'est pas sans Inconvénients, notamment en ce qui concerne l'agencement des électrodes et des moyens de génération du champ magnétique dans une veine d'écoulement du fluide de travail de la turbine. Objet et résumé de l'invention

Le présente divulgation vise à remédier à ces inconvénients,, en proposant un générateur magnétohydrodynamique permettant une intégration plus simple dans un ensemble comprenant une turbine destinée à être actionnée par le même fluide de travail.

Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait que le générateur magnétohydrodynamlque, qui comprend une veine d'écoulement d'un fluide de travail délimitée pa une première paroi et une deuxième paroi et un dispositif d'Ionisation du fluide de travail, comprend aussi en outre au moins une paire de bras reliant chacun les première et deuxième parois en aval dudit dispositif d'ionisation de manière à délimiter entre iesdits bras et lesdites parois un canal dans la veine d'écoulement disposé pour être traversé par une partie du fluide de travail après sa Ionisation, un aimant pour générer un champ magnétique orienté en direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide de travail dans le canal délimité par la paire de bras et lesdites parois, et au moins une paire d'électrodes, chacune des électrodes de chaque paire étant disposée d'un côté du canal délimité par la paire de bras et lesdites parois, les électrodes de chaque paire étant espacées l'une par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire audit champ magnétique et à l'écoulement du fluide de travail dans le canal délimité par la paire de bras et lesdites parois. L'aimant peut être un électroaimant,, avec éventuellement un soiénoïde pouvant être avantageusement: à conductivitê améliorée grâce à l'intégration de nanotube de carbone dans l'âme du conducteur ou encore être supraconducteur, mais pourrait aussi être un aimant permanen Dans un cas comme dans l'autre, il pourrait comprendre un noyau laminé.

Grâce à ces dispositions, on facilite l'arrangement des électrodes et des pôles de l'aimant suivant deux axes sensiblement perpendiculaires entre eux et par rapport à l'écoulement du fluide de travail. En outre, on peut se limiter à générer de l'électricité qu'à partir d'une partie du fluide de travail d'une turbine, ce qui peut être souhaité, par exemple, si la turbine est destinée à fournir une puissance mécanique relativement importante, tendis que ie générateur magnétohydrodynarnique est destinée à fournir une puissance électrique sensiblement plus réduite, è titre auxiliaire» En particulier, chaque électrode de chaque paire d ^' électrodes peut être disposée sur un bras de ladite paire de bras. Dans ce cas, pour générer un champ magnétique perpendiculaire à l'écoulement du fluide de travail à la direction dans laquelle les électrodes sont séparées Tune de l'autre, l'aimant peut comprendre un noyau logé â l'intérieur d'un desdits bras. Toutefois, un arrangement: alternatif est également envisageable dans lequel chaque électrode de chaque paire serait disposée sur l'une des parois délimitant la veine d'écoulement, l'aimant étant alors arrangé pour générer un champ magnétique orienté dans la direction dans laquelle les bras sont séparées l'un de l'autre.

Afin d'accélérer l'écoulement du fluide dans ie canal délimité par les parois et les bras, pour ainsi augmenter le rendement du générateur magnétohydrodynarnique, les première et deuxième parois peuvent converger l'une vers l'autre dans un sens d'écoulement des gaz de combustion sur au moins un premier segment de la veine d'écoulement situé en amont de ladite paire de bras. Dans ce cas, et afin d'éviter une poussée importante de réaction, notamment quand le générateur magnétohydrodynarnique est installé dans une tuyère de sortie d'un turbomoteur, et en particulier d'un turhomoteur d'aéronef à voilure tournante, les première et deuxième parois peuvent diverger l'une de l'autre dans un sens d'écoulement du fluide de travail sur au moins un deuxième segment de la veine d'écoulement situé en aval de ladite paire de bras, de manière â réduite à nouveau la vitesse d'écoulement, Afin de permettre l'ionisation efficace du fluide de travail, et en particulier d'un fluide de travail gazeux, ledit dispositif d'ionisation peut prendre la forme d'une torche â plasma. Une telle torche à plasma peut notamment comprendre une paire d'électrodes connectées à un dispositif de génération d'un potentiel électrique continu ou alternatif entre les électrodes de cette paire qui soit égal ou supérieur au potentiel d'ionisation du fluide de travail Toutefois, d'autres types de dispositifs d'ionisation sont aussi envisageables, comme par exemple un dispositif d'ionisation par injection de micro-ondes, par décharge héiicon ou par couplage Inducflf, Par ailleurs, pour faciliter l'ionisation du fluide de travail, ie générateur peut comprendre un dispositif d'injection d'éléments à bas potentiel d ^' ionisation en amont dudit dispositif d'ionisation, ainsi qu ^' éventuellement un filtre de récupération des éléments â bas potentiel d'ionisation en aval du canal délimité par les parois et les bras.

Des distances relativement courtes entre électrodes et pôles magnétiques opposés dans le canal délimité par la paire de bras et les parois peuvent être positives pour le rendement et l'efficacité du générateur magnétohydrodynamique. Pour augmenter la quantité de fluide de travail servant à la génération magnétohydrodynamique, tout en limitant ces dimensions, le générateur peut comprendre une pluralité de paires de bras reliant chacun les première et deuxième parois en aval dudit dispositif d'ionisation et, pour chaque paire de bras, un aimant et une paire d'électrodes. En divisant la génération magnétohydrodynamique d'électricité entre plusieurs canaux, il est possible d'augmenter la puissance électrique tout en maintenant une section d'écoulement restreinte pour chaque canal Les paires d'électrodes de chaque canal peuvent être connectées électriquement en série ou en parallèle.

Afin d'adapter plus facilement ce générateur magnétohydrodynamique à une turbine, la veine d'écoulement peut être annulaire, lesdites première et deuxième parois étant concentriques autour d'un axe central de la veine d'écoulement, et: lesdits bras étant radiaux,

La présente divulgation concerne aussi une tur omachine comprenant au moins un tel générateur magnétohydrodynamique,, et au moins une turbine disposée pour être actionnée par le même fluide de travail que le générateur magnétohydrodynamique. Le générateur magnétohydrodynamique peut ainsi servir par exemple à récupérer au moins une partie de l'énergie résiduelle du fluide de travail ne pouvant pas être exploitée par la turbine. Cette turbomachine peut notamment comporter une chambre de combustion en amont de la turbine et du générateur magnétohydfOdynamique, pour produire des gaz de combustion à enthaipîe élevée formant le fluide de travail de ia turbine et du générateur magnétohydrodynamique en aval e dont: ies hautes températures facilitent leur ionisation. Par ailleurs, pour augmenter l'enthalpie des gaz de combustion et impulser leur écoulement,, cette turbomachine peut comprenant au moins un compresseur en amont de la chambre de combustion et une première turbine qui est couplée audit compresseur à travers un premier arbre rotatif pour son actionnement Elle peut aussi comprendre une deuxième turbine. Dans ce dernier cas, cette deuxième turbine,, qui peut notamment être située en aval de la première turbine niais en amont du générateur magnétohydrodynamique, pourrait être couplée à un arbre de sortie pour former un turbomoteur, comme par exemple un turbomoteur d'aéronef à voilure tournante. Afin de mieux pouvoir exploiter l'énergie résiduelle du fluide de travail qui ne peut pas être exploitée par la turbine, le générateur magnétohydrodynamique peut être disposé dans une tuyère de sortie en aval de la turbine, La présente divulgation concerne aussi un procédé magnétohydrodynamique de génération électrique dans lequel un fluide de travail est au moins partiellement ionisé par un dispositif d'ionisation dans une veine d'écoulement délimitée par une première et une deuxième paroi, et une partie Ionisée du fluide de travail traverse un canal délimité dans ia veine d'écoulement par lesdites parois et une paire de bras reliant chacun les première et deuxième parois en aval dudit dispositif d'ionisation, et est soumise à un champ magnétique généré dans ce canal par un aimant en direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide de travail., de manière à générer un courant électrique entre des électrodes d'au moins une paire d'électrodes, chacune des électrodes de chaque paire étant disposée d ^' un côté du canal délimité par la paire de bras et lesdites parois, les électrodes de chaque paire étant espacées l'une par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire audit champ magnétique et à l'écoulement des gaz de combustion dans ce canal, Ce procédé magnétohydrodynamique de génération électrique peut notamment servir à récupérer de l'énergie résiduelle d'un fluide de travail ayant préalablement servi à entraîner au moins une turbine. En particulier, à bord d'un véhicule propulsé par un moteur à turbine, ce procédé magnétohydrodynamique peut servir à générer de l'énergie électrique servant à alimenter des équipements auxiliaires du véhicule autres que le moteur à turbine.

L'Invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtron mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés â titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels ;

- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un aéronef à voilure tournante avec un turbomoteur équipé d'un générateur magnétohydrodynamique suivant un mode de réalisation ;

- la figure 2. est: une vue schématique en coupe longitudinale d'un des turhomoteurs de la figure i ;

- la figure 3A est une vue schématique en perspective d'une partie du générateur magnétohydrodynamique du turbomoteur de la figure 2 ;

~ la figure 38 illustre un détail de la figure 3A ;

^■■■ · la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un générateur magnétohydrodynamique suivant: un deuxième mode de réalisation ;

- la figure 5 est une vue schématique en perspective d'un générateur magnétohydrodynamique suivant un troisième mode de réalisation ;

- la figure 6 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turbomoteur suivant un quatrième mode de réalisation ; et:

- la figure 7 est une vue schématique d'un turbomoteur suivant un cinquième mode de réalisation.

Description détaillée de l'Invention La figure 1 illustre un aéronef à voilure tournante, plus précisément un hélicoptère 100, avec un turbomoteur 1.0 î pour ; 'action neroent de son rotor principal 102 et son rotor de queue 103 à travers une transmission 104. Le turbomoteur 101 comprend un générateur magnétoliydrodynamique 10 suivant un mode de réalisation pour fournir un courant électrique aux différents consommateurs électriques embarqués sur l'hélicoptère 1.

Comme Illustré en plus grand détail sur ia figure 2,. le turbomoteur 101 comprend un générateur de gaz avec, dans le sens d'écoulement de l ^' air, un compresseur 201, une chambre de combustion 202 avec un allumeur et des Injecteurs connectées à un circuit d'alimentation en carburant (non illustrés), et une première turbine 203, couplée au compresseur 201 à travers un premier arbre rotatif 204, En aval de cette deuxième turbine 203, le turbomoteur 101 comprend une deuxième turbine 2.05 couplée à un deuxième arbre rotatif 206, qui dans l'hélicoptère 1 est coupiable à la transmission 104 pour actionner les rotors 102, 103, Finalement, en aval de la deuxième turbine 205, le turbomoteur comprend une tuyère 207 de sortie des gaz de combustion.

Dans ce premier mode de réalisation, le générateur magnétohydrodynamique 10 est intégré dans cette tuyère 206 en aval des turbines 203, 205, Âu sein de ce générateur magnétohydrodynamique 10, la veine annulaire 11 d'écoulement des gaz de combustion qui constituent, dans ce mode de réalisation, le fluide de travail des turbines 203, 205 et du générateur magnétohydrodynamique 10, est délimitée par une première paroi 12, interne, et une deuxième paroi 13, externe et concentrique à la première paroi 12 autour de l'axe centrai X du turbomoteur 101, Le générateur magnétohydrodynamique 10 comprend aussi un dispositif 14 d'ionisation des gaz de combustion, Ce dispositif d'ionisation 14 peut être, pa exemple, une torche à plasma avec deux électrodes configurées pour créer un champ électrique entre elles, champ électrique suffisamment puissant pour Ioniser les gaz de combustion circulant à des températures et vitesses élevées à travers la veine annulaire 11 pour créer un plasma froid électriquement conducteur. Ce champ électrique fort peut être continu ou alternatif, un champ alternatif permettant d'éviter un déséquilibre thermique du plasma froid. Pour faciliter l'ionisation des gaz de combustion, le turbomoteur 101 peut comprendre aussi un dispositif d'injection d'éléments à bas potentiel d'ionisation, comme le potassium, en amont du dispositif dlonisation, Ce dispositif d'injection d'éléments à bas potentiel d'ionisation peut notamment être intégré dans le circuit d ^' alimentation en carburant, de manière à ce que les éléments à bas potentiel d'ionisation soient injectés dans la chambre de combustion 202 avec le carburant,

Sur un premier segment lia de veine annulaire 11 d'écoulement des gaz de combustion au sein de ce générateur magnétohydrodynamique 10, les parois 12, 13 convergent dans le sens d'écoulement des gaz de combustion afin d'accélérer leur écoulement, tandis que sur un deuxième segment 11b, ces parois 12, 13 divergent à nouveau dans le sens d'écoulement des gaz de combustion de manière à réduire leur vitesse avant leur sortie de la tuyère 207. Entre le segment convergent lia et le segment divergent 11b des paires de bras radiaux .1.5 relient tes parois 12, 13, de manière à former des canaux 16 dans la veine 11, chaque canal 16 étant délimité par les parois 12, 13 et les bras 15 d'une paire. Pour éviter que les éléments à bas potentiel d'ionisation Injectés en amont soient ensuite expulsés à l'extérieur, le générateur 10 peut aussi comporter un filtre (non Illustré) de récupération des éléments à bas potentiel d'ionisation en aval des canaux 16.

Dans le mode de réalisation illustré en plus grand détail sur les figure 3A, 38, le générateur magnétohydrodynamique 10 comprend, pour chaque canal 16, au moins une électrode 17 montée sur une face interne de chacun des bras 15 délimitant ce canal 16, de manière à être exposée aux gaz de combustion Ionisés traversant ce canal 16, ainsi qu'un électroaimant 18 avec des pôles 18a, 18b opposés en direction radiale, couverts respectivement par la paroi interne 12 et ia paroi externe 13 d'un côté et d'autre du canal 16, et reliés par un noyau 18c logé dans l'un des bras 15, laminé et entouré par un solénoïde 18d, de manière à générer un champ magnétique B dans le canal 16 qui soit orienté en direction radiale et donc sensiblement perpendiculaire à l'écoulement des gaz de combustion ionisés dans le canal 16. Afin de générer un champ magnétique particulièrement puissant, le solénoïde 18d peut notamment, être supraconducteur. Ainsi, dans ce mode de réalisation, l'écoulement des gaz de combustion ionisés è travers chaque canal 16, soumis au champ magnétique 8 généré par l'étectroaimant 18 peut générer une force électromotrice et donc un courant électrique entre les électrodes 17, situées de chaque côté du canal 16 et donc opposées Tune à l'autre dans une direction perpendiculaire tant à la direction de l'écoulement qu'à la direction du champ magnétique 8. Dans un mode de réalisation alternatif, illustré par ia figure 4 _f l'arrangement des parois 12,13, des bras 15, ainsi que donc des canaux 16 est: identique. Toutefois, les électrodes 17 correspondant: à chaque canal 15 ne sont pas montées sur les bras 15, mais sur les faces internes des parois 12,13 de manière à être exposées au canal 16, maïs opposées en direction radiale, tandis que électroaimant 18 est arrangé de manière à générer un champ magnétique B qui soit orienté en direction sensiblement perpendiculaire à cette direction radiale et à la direction d'écoulement des gaz de combustion ionisés. Les autres éléments du générateur magnétohydrodynamique 10 sont analogues â ceux du premier mode de réalisation et reçoivent les mêmes repères sur le dessin,

Bien que la veine d'écoulement: 11 soit annulaire dans ces deux modes de réalisation,, afin de faciliter l'intégration du générateur magnétohydrodynamique 10 dans le turbomoteur 101, d'autres formes sont également envisageables, par exemple pour intégrer le générateur magnétohydrodynamique 10 dans une tuyère plate. Ainsi, dans un autre mode de réalisation alternatif. Illustré sur la figure 5, la veine d'écoulement 1.1 a une section rectangulaire, mais le générateur magnétohydrodynamique suivant ce troisième mode de réalisation est en tout autre point analogue è celui du premier mode de réalisation, et les éléments équivalents reçoivent les mêmes repères sur cette figure.

Bien que, dans le premier mode de réalisation, le générateur magnétohydrodynamique 10 soit situé en aval des deu turbines 203, 205, 1! est aussi envisageable de le situer entre les deux turbines 203, 205, comme dans le quatrième mode de réalisation Illustré sur la figure 6, voire directement en aval de la chambre de combustion 202; en amont des deux turbines 203, 205, comme dans le cinquième mode de réalisation illustré sur la figure 7, Dans les deux cas, les éléments du générateur magnétohydrodynamique 10 restent analogues à ceux du premier mode de réalisation et reçoivent les mêmes repères sur les figures,

Le fonctionnement du générateur magnétohydrodynamique 10 suivant chacun de ces modes de réalisation est également similaire. Dans chaque cas, des gaz. de combustion Issus de la chambre de combustion 202 sont au moins partiellement ionisés par Se dispositif d ^' Ionisation 14, accélérés dans le segment convergent lia de la veine d'écoulement 11, avant de pénétrer dans les canaux i.6 délimités par chaque paire de bras 15, dans lesquels ils sont soumis aux champs magnétiques 8 générés par les éiectroalmants 18 en direction sensiblement perpendiculaire à celle de l'écoulement des gaz de combustion ionisés dans chaque canal 16, pour générer un courant électrique entre les électrodes 17, courant électrique pouvant notamment servir à alimenter différents dispositifs embarqués à bord de l'hélicoptère 1. En sortie des canaux 18, l ^' écoulement des gaz de combustion décélère dans le segment divergent 11b,

Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par tes revendications. Par exemple, bien que dans chacun des modes de réalisation illustrés chaque canal 10 ne soit équipé que d'une seule paire d'électrodes 17, il est aussi envisageable de placer plusieurs paires d'électrodes dans chaque canal, ces paires d'électrodes pouvant par exemple se succéder dans le sens d'écoulement du fluide de travail En outre, ces générateurs magnétohydrodynamlques pourraient être utilisé dans d'autres types de turbomachines que les turbomoteurs illustrés. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.