Le Thermocompresseur

Cette autre application du Thermoréacteur© permet de créer un compresseur d’air nécessaire à son fonctionnement, et avec un rendement énergétique beaucoup plus élevé. 

 

L'héritage de l'histoire
Saluons dès maintenant les «compresseurs thermiques » imaginés par nos « Anciens », mais qui n’avaient pas le Thermoréacteur !

 

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur

L'etat de l'art

ACG-Aviation-Xplorair-ThermocompresseurC’est un « organe vital » de toute la chaine de propulsion, et par conséquent qu’il convient de soigner tout particulièrement ! Par ailleurs, outre cette fonction d’alimentation « non négociable » le Compresseur doit présenter les caractéristiques de légèreté, de rendement maximal, et de simplicité de fonctionnement en vue d’une maintenance la plus réduite possible.

Le besoin : Pour l’application aéronautique, le compresseur devra, au décollage/atterrissage assurer un débit et une pression optimales sachant que cette phase sera la plus délicate, et surtout la plus stratégique en termes de trajectoire et de sécurité passagers.
Au décollage/atterrissage : En tandem, donc 2 passagers, cette phase va nécessiter 3 x 3 Thermoréacteurs – 2 en partie avant, et 1 trinôme en pointe arrière. Ce qui va imposer un débit de près de 1 kg/s pour chaque Thermocompresseur pour une pression arrêtée à 4 bars.
En croisière : Attendu que le propulseur Chilowsky assurera cette phase pour une vitesse limitée à 200 km/h, les (ou le) Thermocompresseurs ne devront débiter qu'un kg/s, et à une pression maxi de 1,5 bar.

Telles sont les données que devront fournir chacun des Thermocompresseurs sachant aussi qu’il y aura 2 Thermocompresseurs plutôt que 1 seul pour la même demande : l’Aéronautique a le réflexe impératif de la sécurité en vol !

Il existe de nombreuses technologies en termes de compresseurs, et chacune avec des avantages et des limitations :
Ci-contre quelques « dignes » représentants de la communauté des compresseurs…
Le compresseur à piston est très utilisé lorsque la pression de fin de compression doit être élevée, mais son rendement reste médiocre et son débit limité,
Le compresseur à vis assure quant à lui un débit important mais à faible taux de compression, mais reste très bruyant
Le compresseur à palette est compact, mais pour un taux de compression somme toute assez faible, et nécessite, en général, une lubrification,
Le compresseur centrifuge est très utilisé en aéronautique surtout pour sa simplicité et sa robustesse, et dès lors que la pression demandée pour un seul étage n’excède pas les 5 bars, et pour un débit maxi de 2 kg/s,
Il existe aussi, toujours pour l’Aéronautique, les compresseurs axiaux qui eux, assurent un fort débit, et à un taux élevé ; seulement leur encombrement (longueur) est important.

Pour toutes ces raisons, une des applications immédiate du Thermoréacteur sera adaptée à la compression, et ainsi designer un ThermoCompresseur. L’avantage immédiat, outre les gains en consommation présentés par le Thermoréacteur, permettra de réduire fortement l’encombrement, et d’une simplicité qui favorise grandement une maintenance ramenée à sa plus simple expression.

 

 

Le Thermocompresseur
ACG-Aviation-Xplorair-ThermocompresseurAinsi, une des premières applications du Thermoréacteur sera effectivement le Thermocompresseur dont le schéma de principe est le suivant :
Les compresseurs centrifuge actuel comportent un rouet qui réalise effectivement la compression de l’air aspiré via l’entrée d’air, une chambre de combustion qui maintient la pression de fin de compression, et une turbine, et accroit l’énergie cinétique des gaz dont une partie est absorbée par la turbine qui entraine à son tour le compresseur, et l’énergie cinétique restante est « convertie » de telle sorte à accélérer les gaz dans la tuyère, et ainsi créer la poussée recherchée.

Avec le Thermocompresseur, et selon son architecture rendue possible grâce au Thermoréacteur, permet alors de réduire par 2 l’encombrement longitudinal comme le suggère le schéma de principe ci-contre ! C’est cette nouvelle architecture qui a encouragé Airbus Innovation (ex EADS Innovation Works) à déposer un brevet.
Ce brevet n’a pas été étendu, et donc n’a de valeur juridique que sur le seul territoire français…

Ainsi, l’architecture retenue pour réaliser le Thermocompresseur sera composée d’un rouet dont la technologie et les modes de réalisations sont maintenant éprouvés, d’au moins 2 Thermoréacteurs symétriques de façon à équilibrer le couple de rotation, d’une turbine type celles utilisée dans les chutes d’eau pour transformer l’énergie potentielle en énergie cinétique puis en énergie mécanique, et donc du type Kaplan, Pelton, Francis…

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur

Turbin Pelton

Turbin Kaplan

La technologie du Thermocompresseur
Une vue globale et éclatée est la suivante :

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-8

 

Le côté très différenciant du Thermocompresseur comparé aux autres compresseurs est son unique turbine adossée directement au rouet. Et
 c’est cette combinaison qui permet de réduire notablement l’encombrement, au point de le diviser par 2 dans le sens de la longueur.
Dans l’exemple choisi, c’est à l’aide d’une turbine Pelton et d’un rouet utilisé dans les compresseurs centrifuge que le Thermocompresseur sera constitué.

Les rendements mesurés pour différentes turbines, mais à usage hydraulique sont représentés sur le tableau ci-après :

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-10ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur

Intégration à l'Xplorair
Attendu que les Thermoréacteurs constituent une véritable rupture technologique, cela entraine aussi une architecture totalement nouvelle, au point de séparer complètement la chambre de combustion du compresseur : plus aucune liaison mécanique d’existe entre ces deux composants, comme indiqué sur cette illustration où les 2 Thermocompresseurs sont situés dans la soute de l’Xplorair :

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur
Enfin, il est aussi possible d’utiliser au mieux toute l’énergie contenue dans l’air ainsi comprimé en adjoignant une turbine classique en sortie des conduits d’où circule l’air comprimé.
ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-13

Le Compresseur Thermique

I Objectif

L’expression de la puissance WComp nécessaire à la compression de l’air ou du pré mélange pour alimenter les Thermoréacteurs avec un Débit DTR, durant la phase de décollage/atterrissage, là où la poussée FTR doit être maximum, et ce, pendant 3 minutes maximum, toujours pour 1 SEUL Thermoréacteur, s’écrit :

DTR (kg/s) = γ/(γ.r.Ta)1/2(γ+1)/2γ.Pa.SCol.MCol /{(1+((γ-1)/2).M2Col)[(γ+1)/2(γ-1)]

FTR (N) = ½.ρa.S.CX0.V02 = DCol.V = [γ.Pa/f(M=1)].SCol.[π2 - π(γ+1)/γ]1/2 # 5,7.SCol1,46

WComp (kW) = {γ.Pa.(γ r.Ta)1/2/[f(M).ηComp.(γ-1)]}.SCol(γ+1)/2γ.[π(γ-1)/γ-1] # 0,785.SCol2,15

Ccarburant (litre/h) = 3,6.WComp / [43 (PCI en MJ) x 0,4 (ηTh) x 0,8 (kg/l)] # 0,26.WComp

 

Expressions dans lesquelles :

π = P/Pa : Taux de Pression (Pa = Pression Atmosphérique)
ρa.= masse volumique de l’Air = 1,225 kg :m3
γ =  Rapport des chaleurs massiques (γGaz Frais = 1,36 ; γGaz Brûlés = 1,27 ; γAir = 1,4)
λ = Dosage (richesse 1 <=> 15 g air pour 1 g de carburant)
DCol.= Débit au Col, kg/s
SCol.= Section au Col, cm2
MCol = Nombre de Mach au Col
V0 = Vitesse d’Éjection des Gaz, m/s
CX0.= Coefficient de Traînée de l’Xplorair PX200
Ta = Température de l’Atmosphère, 288 K
ηComp.= Rendement du Compresseur
ηTh = Rendement du Thermoréacteur
PCI = Pouvoir Calorifique Inférieur (pour le Kérosène : PCI = 43 MJ)

 

L’expression de la Puissance pour la compression de l’Air est :

WComp (kW) = (1/ηComp).DTR.CP.ΔT = (1/ηComp).DTR.CP.Ta.(πF(γ-1)/γAir - 1)

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique

Question : Attendu que la puissance compresseur pour alimenter les 9 Thermoréacteurs (3x3) pendant 2 minutes de façon à atteindre une altitude de « libération acoustique » est très conséquente : 2x175 KW (car il faut 2 compresseurs) à un taux de compression de 4 nécessaire à la production de la poussée au décollage, il est donc indispensable d’explorer d’autres solutions technologiques. Ainsi, une des solutions que nous avons retenue est celle dite du « Compresseur Thermique »

De quoi s’agit-il ?

II Le Compresseur Thermique

Sur une idée (TRL 0,5 !) de Yiming GU de ACG Aviation, le compresseur thermique fonctionne de la façon suivante :

1 – Dans une chambre de combustion de volume VC0 remplie de pré mélange à la pression PF0, est ménagé un réservoir thermique d’un volume VR0 contenant le même pré mélange,
2 – Ce dernier pré mélange entre alors en combustion (moyen qui sera explicité plus après) de façon à atteindre une pression de fin de combustion notée PB0 (pression des gaz brûlés contenus dans ce réservoir thermique),
3 – Le réservoir thermique est mis en communication avec la chambre de combustion, et ces gaz brûlés se détendent alors dans ladite chambre de combustion pour atteindre une pression d’équilibre PF1, si bien que les gaz frais sont ainsi comprimés à cette même pression PF1,
4 – Ces gaz frais (pré mélange) entrent alors en combustion pour atteindre une nouvelle pression de fin de combustion notée PFC,
5 – Pendant toute la durée de cette combustion, le réservoir thermique est alors fermé et les gaz nouvellement brûlés se détendent uniquement dans le volume de la chambre de combustion notée supra, VC0, pour atteindre une dernière pression finale notée PF,
6 – Durant toute la phase de détente, le réservoir thermique sera de nouveau rempli de gaz frais qui entreront à leur tour en combustion pour retrouver les caractéristiques citées en partie 1 

Nous allons décrire ces différentes phases : 

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique

1 - Réservoir Thermique au taux de pression PR0 et de température de gaz frais identique à celui de la chambre de combustion
PC0 = PR0

 

 

 

 

 

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique2 - Les gaz brûlés, entrent en combustion pour atteindre leur pression de fin de combustion :
PB0

 

 

 

 

 

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique

 

 3 - Les gaz brûlés du réservoir se détendent au volume VR1, et donc compriment les gaz frais de la chambre de combustion pour atteindre une pression d’équilibre : PF1 = PR1

 

 

 

 

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique

 

4 - Les gaz frais entrent à leur tour en combustion pour atteindre une nouvelle pression de fin de combustion : PFC
Les gaz brûlés issus du réservoir thermique vont alors être de nouveau comprimés

 

 

 

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique

 

5 - Le réservoir thermique d’un volume VR0 est alors « fermé » de telle sorte qu’un nouvel équilibre de pression finale PCF sera atteint mais uniquement dans la chambre de combustion d’un volume notée VC0

 

 

 

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique

 

6 - Pendant toute la durée de la détente des gaz brûlés, les gaz frais contenus dans le réservoir thermique vont alors entrer en combustion, et le cycle reprendra

 

 

 

 

Dans toutes ces transformations, nous n’avons pas pris en compte les échanges thermiques entre les gaz frais et les gaz brûles, d’une part, et entre les gaz brûlés d’autre part. Nous ferons des hypothèses, car malgré les durées des échanges de l’ordre de quelques millisecondes, inévitablement les températures seront plus élevées, et donc la pression finale sera plus importante que sans ces échanges.

 

III Calculs de la Pression et de la Température finales

Expression de la pression d’équilibre PR1 = PF1 en fin d’expansion des gaz brûlés :
En combinant les équations de Laplace appliquées aux gaz frais et aux gaz brûlés, nous arrivons à la première équation qui n’a de solution que numérique :
En partant de l’expression de la pression de fin de combustion PFC fonction de la pression d’injection PF0, soit : PFC = 8,6.PF00,86, nous obtenons l’équation qui va déterminer la première pression d’équilibre, PF1 = PR1 :

[0,1862.PF00,1094.vC01,0625/vR0].(v0 – vC1) – vC11,0625 = 0

Avec v0 = vC0 + vR0 et donc vC1 + vR1 = v0
Application numérique : v0 = 1,2 litre vR0 = 0,2 litre soit vC0 = 1 litre et PF0 = 2,1.Pa
Alors : vC1 = 0,6121 l d’où vR1 = 0,5879 l et donc PF1 = 4,0939.Pa

En première approximation, et avec une erreur < 2%, nous admettrons l’expression analytique suivante :

vC1 = vC0.[1 + vR0/vC0].[0,1862.PF00,1094.(vC0/vR0)]/[1 + 0,1862.PF00,1094.(vC0/vR0)]

Dès lors, les paramètres X = vC0/vR0 et PF0 qui expriment le ratio entre le volume de la chambre de combustion et le volume du réservoir thermique, d’une part, et la pression d’injection, d’autre part, deviennent dimensionnant !

Les gaz frais ont donc subit une surpression qui les fait passer de PF0 à PF1 , pression de fin de compression, selon l’expression de Laplace :

PF1 = PF0.(vC0/vC1)γF

Ces gaz frais vont ensuite entrer en combustion pour atteindre une pression de fin de combustion calculée selon la même formule déjà utilisée, d’où la nouvelle pression :

PF2 = 8,6.PF10,86 = 28,9026

Dès cette fin de combustion, le réservoir thermique se ferme de telle sorte que ces gaz brûlés se détendront seulement dans le volume de la chambre de combustion, vC0. De fait, la pression finale PCF des gaz brûlés dans la chambre de combustion avant détente dans la tuyère, et pour générer la poussée recherchée, se détermine par l’expression suivante :

K1 = [vC1/(vC0 - vC1)].(PF2/PF1)1/γ = 5,3713.[vC1/(vC0 - vC1)].(1/PF1)0,14/γB

vC2 = vC0.[K1/(1 + K1)]

PCF = PF2.(vC1/vC2)γB

Ainsi, selon le paramètre recherché plusieurs formules sont applicables :

PCF/Pa = 21,3.(X0/X)0,105.(πii0)0,866

PCF/P0 = 1,127.(X0/X)0,105

Fmoy = 7,4.PCF1,4

Fmoy = 450.v0

Avec X0 = 5; πi0 = 2,5 et v0 = 1 litre

De fait, pour assurer une poussée moyenne unitaire d’un Thermoréacteur dans lequel la post combustion est activée, et donc permettre un décollage SANS roulage, cette poussée doit s’élever à 400 N, et la puissance du compresseur pour alimenter 3xTri-Thermoréacteurs doit avoisiner les 2x100 kW pour générer un débit de 3x0,7 kg/s à un taux de compression de 2,5.
Il est à remarquer que durant toute cette phase, nous n’avons pas du tout tenu compte des échanges de température entre les différents volumes de gaz frais et de gaz brûlés. Ces échanges augmenteront la température des gaz frais avant leur combustion, ce qui ne fera qu’augmenter leur pression de fin de combustion.

Expression de la Température d’équilibre en fin d’expansion des gaz brûlés

Nous ferons l’hypothèse que l’équilibre de la température lors de l’expansion des gaz brûlés issus du réservoir thermique se fait quasi instantanément (ce qui devra être corrigé par la suite…). Dans ces conditions, cette température TCF aura pour expression :

TCF = [mR0.TR0 + MC0.TCO]/[mR0 + MC0]

Avec : mR0 = ρF.VRO, mC0 = ρF.VCO πC01/γF , TR0 = Ta + ΔT = Ta.(1 + 140/λ), TC0 = Ta.πC0(γ-1)/γF
En conséquences, si μ = TCF/TC0 est le coefficient d’augmentation de température due aux échanges thermiques :

μ = TCF/TCO = [K.(1 + 140/λ) + πC0]/[K + πC01/γF]

μ = 4,3/λ0,35  ,  μ = 1,89/πC00,333,  μ = 2,43.K0,265

Et donc le taux de pression finale πCF avant combustion aura pour expression :

πCF = μ.πC1

De fait, l’expression de πCF en fonction de ses 3 paramètres devient :

πCF = 4.πC00,33 ; πCF = 16,77.K0,655 ; πCF = 35,26 / λ0,65

 

IV Applications numériques
Admettons alors une pression πCF en fin de compression thermique telle que :

3 < πCF < 5

Notre objectif est aussi de réduire au maximum admissible la puissance du compresseur mécanique qui sera logé dans la soute, mais aussi de conserver actif ce compresseur lors de la phase de croisière dont la propulsion sera assurée par effet Chilowsky, propulsion que nous qualifions de « Pneumo-Propulsion » Par ailleurs, afin de réduire au maximum l’introduction de gaz brûlés servant à cette compression thermique, nous devons définir un volume de compresseur thermique le plus faible possible, tout en sachant que le cycle sera fonction de la vitesse de rotation ω (rd/s) = π.N(tr/min)/30 des valves. Cette dernière définissant aussi le débit

DC0 (kg/s) que devra assurer le compresseur mécanique :
DC0 (kg/s) = (3.ρa/2π).πC01/γF.VC0.ω = 0,585.πC01/γF.VC0
WCO (kW) = (3.ρa/2π).πC01/γF.VC0.ω.Cp.Ta.(πC0(γ-1)/γF - 1).1/ηComp
WCO (kW) = 0,21.VC0.[πC0 – πC01/γF].ω = 0,0189.πC02.VC00 pour 1 SEUL Thermoréacteur

 

Ainsi, pour 3 Thermoréacteurs, et VC0 = 1 litre, N = 1200 tr/min, K = 0,16 ; πC0.= 3, λ = 15, Ta = 288 °K ; et ηComp= 0,8 :

 DC0 = [3.(0,019.πC02)] = 0,513 kg/s et WCO = 64 kW

Autre analyse

1 – Soit VC0 le volume de la chambre de combustion contenant un pré mélange de gaz frais à la pression PC0, et à la température TC0,
2 – Soit VR0 le volume du réservoir thermique contenant les gaz brûlés du cycle précédent, à la température TR0 , et à la pression finale PRF = PCF que l’on ne connait pas encore,
3 – Injection de ces gaz brûlés dans la chambre de combustion qui vont se détendre pour atteindre la pression et la température finales PC1, et TR1,
3’ – Dans ce même temps, les gaz frais se seront comprimés pour atteindre la même pression d’équilibre, PC1, et donc avec un volume réduit, VC1, à la température TC1 ; Cette pression PC1 des gaz frais bénéficiera des échanges thermiques par conduction et rayonnement de sorte que la pression de ces gaz frais avant combustion ne sera pas celle résultant uniquement de la détente des gaz brûlés, mais verra sa température TC1 majorée de 20%. Ainsi, la pression d’équilibre avant combustion des gaz frais sera alors celle de la pression PC1 augmentée de ces échanges thermiques,
4 – Les gaz frais entrent alors en combustion pour atteindre la température de fin de combustion, TCF0, et surtout la pression PCF0 :
5 – Ces nouveaux gaz brûlés vont donc se détendre, puis comprimer les gaz brûlés issus du réservoir thermique, et ainsi atteindre une nouvelle pression de fin de combustion, PCF1 :

La température d’auto-inflammation de différents carburants a pour valeur :

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique

Après échanges thermiques entre les gaz frais, les gaz brûlés, et la chambre de combustion par diffusion, rayonnement, et transmission, si vR0 est le volume du réservoir thermique, vC0 est le volume de la chambre de combustion, πi0 est la pression d’injection des gaz frais dans cette chambre de combustion, πR0 est la pression initiale dans le réservoir thermique, et PFC la pression finale dans la chambre de combustion avant ouverture de la valve d’échappement, et en admettant que les gaz frais, avant leur combustion, grâce à ces différents échanges, ont atteint leur température d’auto-inflammation (kérosène, soit 500° K), alors :

PFC = 19,55.[πi/πi0]0,86.[(vC0/vC).(vR/vR0)]0,1

La pression équivalente pour obtenir cette même PFC mais sans le concept de compression thermique s’écrit :

8,6.πéquivalent0,86 = PFC = 19,55.[πi/πi0]0,86.[(vC0/vC).(vR/vR0)]0,1

Soit alors cette pression équivalente :

πéquivalent = 2,6.[πi/πi0].[(vC0/vC).(vR/vR0)]0,116

Avec vC0 = 1 litre, vR0 = 0,2 litre et πi0 = 2,1

Fmoy = 475.[πi/πi0]1,2.[(vC0/vC).(vR/vR0)]0,14

Ainsi, en posant RCR0 = vC0/vR0 pour exprimer le rapport entre le volume de la chambre de combustion et le volume du réservoir thermique, alors, si RCR0 = 5 :

Fmoy = 475.[πi/πi0]1,2.[RCR0/RCR]0,14

πéquivalent = 2,6.[πi/πi0].[RCR0/RCR]0,116

Avec 0,8 < vC < 1,4 puis 2 < πi < 4 et 0,15 < vR < 0,4 soit : 2 < RCR < 9

Cette formule indique bien que le taux de compression, πi, intervient avec une sensibilité, en terme de puissance, de près de 12 fois supérieure au rapport des volumes de chambres, RCR !

Remarque importante : Durant toutes ces analyses, pour la détermination du débit d’un seul Thermoréacteur, nous n’avons tenu compte que du volume de la chambre de combustion principale, v0. Il va de soi que nous devons ajouter à ce volume v0, le volume des 2 réservoirs nécessaires à la compression thermique ; vR0, celui du réservoir dit de post combustion vPC, ainsi que les volumes des Thermoréacteurs qui seront utilisés pour entraîner le Thermocompresseur. D’où les impératifs suivants :

DTotal = 2 kg/s, πinjection = 2,4 et WCompresseur = 2x100 kW

V Les solutions technologiques

Il s’agit maintenant de concevoir la solution technologique qui permet de réaliser ce compresseur thermique avec le maximum d’efficacité. L’enjeu est donc d’injecter une quantité de gaz brûlés la plus faible possible afin de faciliter la combustion ultérieure des gaz frais, mais aussi la plus répartie de sorte à réchauffer de façon la moins hétérogène possible ces mêmes gaz frais.

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Compresseur Thermique

Nous partirons alors du fait que le groupe propulseur est composé de thermoréacteurs fonctionnant en trinôme, et donc que les combustions respectives seront décalées, déphasées d’un angle de 120° pour un tri_Pulses.

 

La technologie de la compression thermique

Les technologies de la compression thermique et de la post combustion

Afin de réduire au maximum la puissance du Thermocompresseur situé dans la soute, nous avons vu qu'il était nécessaire de passer par le concept de la compression thermique. Par ailleurs, la technologie associée à la poste combustion est aussi décrite. Ces technologies qui traduisent ces concepts se présentent, dans leurs principes, sous la forme suivante.

 

ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Cycle-Allumage-Compression-Thermique ACG-Aviation-Xplorair-Thermocompresseur-Cycle-Allumage-Compression-Thermique

 

Thermocompresseur

SYNTHESE THERMOCOMPRESSEUR

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