DOMAINE DE L’INVENTION

Le domaine de l’invention est celui de dirigeables de structure rigide à propulsion électrique, conçus pour le transport de charges lourdes, et plus particulièrement celui du refroidissement et de la ventilation de systèmes de production d’énergie électrique et des équipements auxiliaires associés embarqués dans ces dirigeables.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les dirigeables porteurs de charges lourdes ont la particularité, grâce à leur système de vol électronique et leur propulsion hybride distribuée ou tout électrique, de réaliser des vols stationnaires longs pour opérer l’échange de change, une difficulté spécifique apparaît. En effet, sur les anciens dirigeables les moteurs étaient directement reliés aux hélices pour la propulsion, il y avait donc toujours un débit d’air « frais » permettant l’évacuation des calories au travers des échangeurs a conduites forcées ou par convection naturelle.

Sur les dirigeables à propulsion électrique, les turbines, puis dans le futur les piles à combustible, ne servant qu’à produire la puissance primaire mécanique permettant au générateur électrique de produire l’électricité nécessaire à l’alimentation des équipements de bords (propulsion, levage, système de contrôle de vol) celle-ci n’est pas reliée à une hélice. Malgré le fait qu’elle « aspire » de l’air pour alimenter son cycle thermodynamique et créé donc un flux d’air « frais », il est fortement déconseillé de réaliser ce genre d’architecture pour deux raisons principales :

La réglementation aérienne déconseille d’introduire des échangeurs contenant des fluides inflammables dans les conduites d’entrée d’air de la turbomachine, car en cas de fuites (par suite d’un impact de débris ingéré par exemple) une fuite pourrait être ingérée par la turbomachine et créer un feu interne qui pourrait se révéler catastrophique pour l’intégrité de cette dernière.

Les turbines sont très sensibles en termes de rendements vis-à-vis des pertes de charge des entrées d’air et de leur échappement. L’introduction d’un échangeur dans le conduit d’entrée d’air de la turbomachine serait donc extrêmement pénalisante du point de vue rendement et performance globale de la chaîne de génération de puissance primaire.

Afin de traiter cette problématique, il est nécessaire d’introduire de nouvelles solutions et architectures permettant l’évacuation des calories générées par les systèmes vers l’environnement extérieur. Des systèmes de génération de débits d’air frais doivent ainsi être définis. EXPOSE DE L’INVENTION

Cet objectif est atteint avec un système pour gérer thermiquement une nacelle externe de production d’énergie électrique équipant un dirigeable à propulsion électrique, ladite nacelle comprenant des moyens de génération électrique et des équipements auxiliaires associés à ces moyens de génération électrique, ledit système de gestion thermique comprenant des moyens pour évacuer l’énergie thermique émise par lesdits moyens de production d’énergie électrique et les équipements auxiliaires dans l’environnement extérieur à ladite nacelle, lesdits moyens de génération électrique et lesdits équipements auxiliaires étant au moins en partie pourvus de moyens de refroidissement par circulation d’huile.

Les moyens d’évacuation thermique comprennent (i) un ou plusieurs échangeurs thermiques air-huile alimenté en air extérieur par des moyens de ventilation forcée et couplée auxdits moyens de refroidissement par circulation d’huile et (ii) des moyens de sortie de l’air chaud issu dudit ou desdits échangeurs thermiques air-huile vers l’extérieur de la nacelle.

Dans une version particulière de l’invention, un échangeur thermique comporte une enceinte d’échange thermique contenant les moyens de génération électrique et/ou un ou plusieurs équipements auxiliaires associés.

Lorsque le système de gestion thermique selon l’invention est mis en œuvre dans une nacelle intégrant un turbogénérateur émettant des gaz de combustion via un conduit d’évacuation des gaz vers l’extérieur de la nacelle, les moyens de sortie d’air chaud entourent au moins en partie le conduit d’évacuation des gaz de combustion et comprennent une extrémité d’évacuation d’un mélange d’air de refroidissement et de gaz de combustion.

Le système de gestion thermique selon l’invention peut être mis en œuvre pour le refroidissement et la ventilation d’un système de pile à combustible et de ses équipements auxiliaires.

Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé une nacelle externe de production d’énergie électrique équipant un dirigeable à propulsion électrique, comprenant des moyens de génération électrique et des équipements auxiliaires associés à ces moyens de génération électrique, intégrant un système de gestion thermique selon l’une des revendications précédentes, ce système de gestion thermique comprenant des moyens pour évacuer l’énergie thermique émise par lesdits moyens de production d’énergie électrique et les équipements auxiliaires dans l’environnement extérieur à ladite nacelle, lesdits moyens de génération électrique et lesdits équipements auxiliaires étant au moins en partie pourvus de moyens de refroidissement par circulation d’huile.

Les moyens d’évacuation thermique comprennent (i) un ou plusieurs échangeurs thermiques air-huile alimenté en air extérieur par des moyens de ventilation forcée disposés en aval de moyens d’entrée d’air et couplés auxdits moyens de refroidissement par circulation d’huile et (ii) des moyens de sortie de l’air chaud issu dudit ou desdits échangeurs thermiques air-huile vers l’extérieur de la nacelle via un conduit de sortie.

Lorsque la nacelle selon l’invention intègre un turbogénérateur couplé à une boîte de transmission de puissance pourvue d’un système de lubrification et à des équipements électriques de forte puissance, le système de gestion thermique est agencé pour procurer un refroidissement dudit système de lubrification.

Pour une nacelle dans laquelle les moyens de génération électrique et les équipements auxiliaires associés sont situés dans une pluralité de zones ségréguées requérant chacune une ventilation spécifique, le système de gestion thermique est agencé en une pluralité de sous-systèmes de gestion thermique procurant une ventilation et un refroidissement adaptés à chacune desdites zones ségréguées.

Un même sous-système de gestion thermique peut être agencé pour procurer une ventilation et un refroidissement adaptés à plusieurs zones ségréguées.

Une zone ségréguée peut par exemple inclure un turbogénérateur et être réalisée sous la forme d’un ensemble capot.

Cet ensemble capot peut présenter une partie inférieure adaptée à une fonction de drainage. L’ensemble capot peut présenter une partie adaptée à une fonction de ventilation naturelle.

L’ensemble capot peut comprendre une pluralité de capots épousant sensiblement la forme respective d’une pluralité d’éléments du turbogénérateur.

Les moyens d’entrée d’air peuvent comprendre un conduit coudé comprenant une première extrémité ouverte d’entrée d’air à l’extérieur de la nacelle et une seconde extrémité ouverte à l’extérieur de la nacelle.

Lorsque l’équipement concerné pour une ventilation et un refroidissement dans une zone non feu, les moyens d’entrée d’air peuvent aussi comprendre un conduit coudé comprenant une première extrémité ouverte d’entrée d’air à l’intérieur et une seconde extrémité ouverte à l’extérieur de la nacelle.

Si la nacelle selon l’invention intègre un turbogénérateur couplé à une boîte de transmission de puissance pourvue d’un système de lubrification et à des équipements électriques de forte puissance, ce turbogénérateur est situé dans une zone feu et est pourvu d’un sous-système de gestion thermique mettant en œuvre une trompe à jet (ou eductor en anglais) pour l’évacuation des gaz de combustion émis par la turbine du turbogénérateur.

Lorsque la nacelle selon l’invention comporte une coque (carénage) englobant les moyens de génération électrique et les équipements électriques associés, le ou les conduits d’entrée d’air et de sortie sont prévus pour traverser la coque.

Suivant encore un autre aspect de l’invention, il est proposé un dirigeable à propulsion électrique équipé d’au moins deux nacelles externes de production d’énergie électrique selon l’invention. Ce dirigeable peut être du type à structure rigide, dédié au transport de charges lourdes et au transfert vertical ( hovering ) de ces charges. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

La figure 1 représente une vue latérale d’un exemple de réalisation d’un dirigeable équipé de deux nacelles de production d’énergie électrique.

La figure 2 est une vue en perspective de l’intérieur d’une nacelle de production d’énergie électrique selon l’invention.

La figure 3 illustre quatre principes fonctionnels de ventilation et de refroidissement pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention.

La figure 4 est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’un système de gestion thermique selon l’invention mis en œuvre dans une nacelle de production d’énergie électrique selon l’invention.

La figure 5 est un schéma fonctionnel d’un exemple de réalisation d’un système de gestion thermique selon l’invention.

La figure 6 illustre une vue partielle d’un exemple de réalisation d’un système de gestion thermique selon l’invention.

La figure 7 est une vue latérale schématique de zones de sécurité au sein d’une nacelle de production d’énergie électrique selon l’invention.

La figure 8 est une vue de dessus schématique de zones de sécurité au sein d’une nacelle de production d’énergie électrique selon l’invention.

La figure 9 illustre un exemple de réalisation d’une intégration optimisée de la gestion thermique dans une nacelle d’un dirigeable.

DESCRIPTION DETAILLEE

En référence à la figure 1, un dirigeable de structure rigide D comporte un ensemble de groupes propulseurs P alimentés en énergie électrique à partir de systèmes de production d’énergie électrique intégrés dans deux nacelles externes 1 en forme de nageoire (dont une seule est représentée sur la figure 1).

Une nacelle en forme de nageoire 1 comprend, en référence à la figure 2, une structure mécanique 30,32 réalisée à partir de treillis de poutres en matériau composite et recouverte d’une peau de coque ou de carénage 10. La partie supérieure 31 de la structure mécanique est reliée à un cadre 4 du corps principal du dirigeable via une interface mécanique 3 et trois câbles 7,70,71.

La nacelle 1 intègre deux groupes turbogénérateurs 84.1,84.2 montés suspendus à la partie supérieure 31 de la structure mécanique de la nacelle 1, un système de batteries de stockage 85, et un plancher 5.

Ce plancher 5 comprend une voie d’accès 50 depuis l’intérieur du dirigeable D dans la nacelle 1, et une partie de plancher 52 entourant les deux turbogénérateurs 84.1,84.2. Des parties évidées 51 sont ménagées dans le plancher 5 pour permettre une dépose des turbogénérateurs au moyen de treuils prévus sur la partie supérieure 31 de la structure mécanique.

On va maintenant décrire, en référence à la figure 3, quatre principes fonctionnels de ventilation et de refroidissement pouvant être mis en œuvre dans le cadre d’un système de gestion thermique selon l’invention.

Selon un premier principe fonctionnel (A) correspondant à un échange forcé par surpression amont à l’échange calorifique ou thermique, le système de gestion thermique 100A disposé au sein de la nacelle 1 comprend un système 60 de génération de débit/pression d’air recevant de l’air frais à partir d’un conduit d’entrée d’air 82 et délivrant de l’air sous pression en entrée d’un système d’évacuation thermique 101A prévu pour extraire de l’énergie thermique hors d’un système émetteur thermique 84, en G occurrence un turbogénérateur ou une pile à combustible. Le système d’ évacuation thermique 101 A émet un air chaud qui est évacué hors de la nacelle 1 via un conduit de sortie 88.

Selon un second principe fonctionnel (B) correspondant à un échange forcé par dépression aval à l’échange calorifique, le système de gestion thermique 100B disposé au sein de la nacelle 1 comprend un système d’évacuation thermique 101B couplé à un système émetteur thermique 84 et recevant en entrée un air frais de l’extérieur via un conduit d’entrée d’air 82. L’air chaud produit par le système d’évacuation thermique 101B est injecté en entrée d’un système 61 de génération de débit/dépression d’air qui délivre de l’air chaud d’évacuation vers l’extérieur de la nacelle 1 via un conduit de sortie 88.

Selon un troisième principe fonctionnel (C) correspondant à un échange en convection naturelle par génération de débit amont à l’enceinte d’échange calorifique ou thermique, le système de gestion thermique 100C comprend un système de génération de débit/pression d’air 60 injectant de l’air frais sous pression dans une enceinte d’échange thermique 62 englobant un système émetteur thermique 84 tel qu’un turbogénérateur ou une pile à combustible. L’énergie thermique émise par ce système émetteur thermique 84 est évacuée de l’enceinte d’échange thermique 62 dans l’air éjecté de cette enceinte vers l’extérieur de la nacelle 1 via un conduit d’air 88.

Selon un quatrième principe fonctionnel (D) correspondant à un échange en convection naturelle par génération de débit aval à l’enceinte d’échangé calorifique ou thermique, le système de gestion thermique 100D comprend une enceinte d’échange thermique 62 contenant un système émetteur thermique 84, tel qu’un turbogénérateur ou une pile à combustible, et recevant de l’air frais en entrée via un conduit d’entrée d’air 82 et injectant de l’air chaud issu de l’échange thermique dans un système 61 de génération de débit/pression d’air délivrant de l’air chaud via un conduit de sortie 88 vers l’extérieur.

On va maintenant décrire, en référence aux figures 4 à 9, un exemple de réalisation d’un système de gestion thermique selon l’invention, correspondant au premier principe fonctionnel (A) précédemment décrit mis en œuvre dans une nacelle intégrant deux turbogénérateurs et un générateur haute tension 20 NPES. La nacelle 1 comprend deux turbogénérateurs 84.1,84.2 reliés en entrée à une ligne 24 d’alimentation en carburant et en sortie à un système de conversion d’énergie 85, à un système de batteries de stockage 92 et une nappe d’alimentation électrique haute tension 90 s’étendant au sein du dirigeable D pour alimenter les groupes de propulsion électrique.

Le système de gestion thermique 100 équipant la nacelle 1 intégrant les deux turbogénérateurs 84.1,84.2, comprend : deux conduits d’entrée d’air 81.1,81.2 de refroidissement des turbines intégrées dans les turbogénérateurs 84.1,84.2 ; deux ventilateurs 80.1,80.2 de refroidissement des turbines, disposés en aval des deux conduits d’entrée d’air 81.1,81.2 ; deux échangeurs thermiques 116 couplés aux deux turbogénérateurs 84.1,84.4 ; deux conduits d’entrée d’air 115.1,115.2 prévus pour le refroidissement des enceintes de capot avant 114.1,114.2 des turbogénérateurs 84.1,84.2 ; deux chambres plénum 82.1,82.2 reliées aux deux conduits d’entrée d’air 115.1,115.2 de refroidissement des capots avant 114.1,114.2 ; deux conduits 88.1 ,88.2 d’évacuation d’air et de gaz de combustion, de type « eductor ».

On va maintenant décrire, en référence aux figures 5 et 6, une application du système de gestion thermique selon l’invention pour le refroidissement d’un système de lubrification d’une boîte de transmission équipant un turbogénérateur intégré dans une nacelle de production d’énergie électrique selon l’invention.

Dans le système de gestion thermique 200, la boîte de transmission 120, couplée mécaniquement à l’arbre de la turbine 84 et l’arbre du générateur de puissance 130, comprend un réservoir d’huile 124 et une pompe à huile prévue pour injecter de l’huile sous pression dans un circuit 125 de refroidissement huile couplé thermiquement au circuit de refroidissement air 140 via un échangeur thermique 89.

Le circuit de refroidissement air 140 équipant la nacelle 1 comprend à une première extrémité une entrée d’air 92, un ventilateur 80 et à l’autre extrémité une sortie air 141.

Le circuit de refroidissement huile 125 relie la sortie de l’échangeur thermique air-huile 89 à l’entrée d’une unité de refroidissement 131 du générateur électrique 130. La sortie huile de l’unité de refroidissement 131 est reliée en entrée de la boîte de transmission.

Le système de gestion thermique 200 comprend en outre une unité de refroidissement air 121 entraînée par l’arbre de la turbine 84 et prévue pour refroidir la génératrice électrique 130 via un second circuit de refroidissement air 133. L’air sortant de la génératrice électrique 130 se retrouve dans la boîte de transmission 120 mélangé à de l’huile. Un circuit déshuileur 122 délivre de l’air en sortie de la boîte de transmission 120. 11 est à noter que cet agencement peut permettre de refroidir d’autres équipements électriques 150 auxiliaires du turbogénérateur. On va maintenant décrire, en référence aux figures 7 et 8, différentes zones de la nacelle 1.

La nacelle 1 comprend des zones dites DZ (sans fluides inflammables), FFLZ (Flammable Fluid Leakage Zone - Zones à risques de fuites de fluides inflammables) and FZ (Fire zones - dites zones feu) qui nécessitent une ventilation spécifique répondant aux critères de gestion des risques feu exigés de la part des autorités de certification aéronautiques civiles.

Les équipements électriques de conversion de puissance et les batteries de stockage sont disposés dans une zone sèche DZ, tandis que les turbogénérateurs 84.1,84.2 sont situés dans des zones feu FZ11,FZ12,FZ21,FZ22. La zone d’accès aux turbogénérateurs est une zone FFLZ.

Les zones sont ségréguées par des cloisons résistantes au feu ou par des zones étanches pour éviter la migration de fluides inflammables d’une zone à l’autre. La zone nacelle inclut donc différents systèmes de refroidissement et de ventilation en fonction des zones et des composants émetteurs de calories ou nécessitant une lubrification. Les arrangements de zones dépendent de la manière dont sont interconnectés les équipements et la nature même de la dangerosité des équipements concernés.

Il est possible de combiner certains systèmes de refroidissement avec ces besoins de ventilation pour générer les débits nécessaires. Pour la ventilation de la zone feu/turbogénérateur un système de ventilation passive appelé trompe à jet (ou eductor en anglais) peut être envisagé.

On peut prévoir, comme l’illustre la figure 9, une intégration optimisée de la gestion thermique dans une nacelle selon l’invention, entre le refroidissement et la ventilation du turbogénérateur, la boîte de transmission de puissance et les équipements électriques.

Dans cette configuration optimisée, le système de gestion thermique 300 selon l’invention comprend deux conduits d’entrée d’air 82 alimentant des ventilateurs 80 délivrant de l’air sous pression sur un échangeur thermique air-huile 89 prévu pour refroidir une boîte de transmission de puissance d’un turbogénérateur. La boîte de transmission et le turbogénérateur sont disposés dans une enceinte 118 comprenant un capot avant 114 et un capot arrière 117. Le système de gestion thermique comprend en outre un conduit 115 d’entrée d’air dans l’enceinte du turbogénérateur et un conduit 88 d’évacuation des gaz de combustion et de l’air chaud.

Bien sûr d’autres modes de réalisation d’un système de gestion thermique peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention. En particulier, on peut prévoir des systèmes de génération électrique de puissance autres qu’un turbogénérateur.