Brevet FR3131351A1 — publié le 20230630

Système de conditionnement de carburant pour un moteur aérobie à hydrogène (M), comprenant : - au moins une pompe à hydrogène (16) configurée pour augmenter la pression de l’hydrogène liquide délivré en sortie d’un réservoir, -un ou plusieurs échangeurs de chaleur (24, 26, 28) configurés pour augmenter la température de l’hydrogène sous pression, -un circuit d’alimentation en air (10G), - au moins un dispositif de combustion (32) configuré pour assurer une combustion partielle de l’hydrogène avec de l’air provenant du circuit d’alimentation en air afin de produire un carburant comprenant un mélange de gaz incluant de l’hydrogène gazeux et qui est dépourvu d’oxygène. Figure pour l’abrégé : Fig.1. SYSTEME ET PROCEDE DE CONDITIONNEMENT DE CARBURANT POUR MOTEUR AEROBIE A HYDROGENE Le présent exposé concerne un système et un procédé de conditionnement de carburant pour un moteur aérobie à hydrogène, notamment pour aéronef. De nos jours, les architectures de moteur d’aéronef sont parfaitement adaptées pour ingérer du kérosène qui est le carburant courant des aéronefs. Ces moteurs dans la famille desquels on retrouve les turboréacteurs et parfois les turbopropulseurs, sont appelés moteurs aérobies car ils utilisent l’oxygène de l’air pour réaliser les réactions chimiques nécessaires à la poussée. Ces moteurs aérobies ne peuvent être utilisés que dans l’atmosphère à l’inverse des moteurs dits anaérobies des lanceurs et véhicules spatiaux qui sont capables de produire une poussée en dehors de toute atmosphère. Ces derniers peuvent utiliser notamment de l’hydrogène liquide comme carburant combiné à de l’oxygène liquide utilisé comme comburant pour assurer les performances de poussée nécessaires à ce type d’application dans un environnement dépourvu d’oxygène. Les moteurs d’aéronef à hydrogène existent mais ne permettent toutefois pas d’accueillir dans la chambre de combustion de ces moteurs de l’hydrogène liquide en raison de sa nature cryogénique, à savoir une température particulièrement basse de l’ordre de 20 à 30K. Une des problématiques pour concevoir un système d’alimentation en hydrogène pour un moteur d’aéronef concerne la transformation d’hydrogène liquide à très basse température, de l’ordre de 20 à 30K, et à faible pression de l’ordre de 1 bar, en hydrogène à haute température (300K) et haute pression (plusieurs dizaines de bars). Ces conditions de haute température et de haute pression sont requises pour l’injection d’hydrogène dans la chambre de combustion du moteur d’aéronef afin de répondre aux exigences de performance, de bilan énergétique et de sécurité opérationnelle d’un tel système aéronautique. Par ailleurs, pour un aéronef commercial, notamment de type court, moyen ou long-courrier, une problématique supplémentaire réside dans le fait que la mise en température de l’hydrogène aux conditions requises à l’entrée de la chambre de combustion du moteur d’aéronef soit indépendante des sources de chaleur issues du moteur d’aéronef, notamment celles engendrées par les gaz de combustion de la chambre ou de la tuyère. En effet, l’utilisation de ces sources de chaleur : - peut conduire à une baisse des performances du système de propulsion de l’aéronef, - n’offre généralement pas d’amplitude suffisante en débit et en pression de carburant pour gérer toutes les phases de vol dans le respect des exigences de performance et de consommation requises pour ce type d’aéronef, - et peut engendrer un risque pour la sécurité de fonctionnement en raison d’un risque de combustion non maîtrisée de l’hydrogène à proximité d’air sous pression qui est présent dans la chambre de combustion du moteur d’aéronef. Au vu de ce qui précède il serait donc utile de concevoir un système d’alimentation en hydrogène pour un moteur d’aéronef qui réponde à au moins une des problématiques visées ci-dessus. Un mode de réalisation concerne un système de conditionnement de carburant pour un moteur aérobie à hydrogène, caractérisé en ce que le système comprend : -au moins une pompe à hydrogène configurée pour augmenter la pression d’hydrogène liquide provenant d’un réservoir, -un ou plusieurs échangeurs de chaleur configurés pour augmenter la température de l’hydrogène sous pression, -un circuit d’alimentation en air, -au moins un dispositif de combustion configuré pour assurer une combustion partielle de l’hydrogène avec de l’air provenant du circuit d’alimentation en air afin de produire un carburant comprenant un mélange de gaz incluant de l’hydrogène gazeux et qui est dépourvu d’oxygène. Ce système de conditionnement est conçu de manière autonome par rapport à la chambre de combustion d’un moteur aérobie à hydrogène, c’est-à-dire qu’il n’a pas recours aux capacités disponibles dans la chambre de combustion du moteur et, en particulier, ce système ne fait pas intervenir les gaz chauds issus de la chambre de combustion du moteur pour monter en température l’hydrogène. Par ailleurs, ce système permet de transformer de manière efficace de l’hydrogène liquide à très basse température, de l’ordre de 20 à 30K, et à faible pression de l’ordre de 1 bar, en hydrogène à haute température et haute pression (ex : 550K et 40 bars) en entrée de la chambre de combustion du moteur aérobie. En outre, ce système ne nécessite pas de fluide caloporteur intermédiaire (ex : hélium) pour isoler ou étanchéifier l’hydrogène par rapport à l’air afin d’empêcher les risques d’incendie. Le système prévoit au contraire de réaliser une combustion partielle de l’hydrogène en consommant tout l’oxygène disponible au moment de la combustion si bien que le mélange gazeux produit par la combustion partielle ne comporte plus d’oxygène, écartant ainsi tout risque d’incendie, voire d’explosion et offrant donc une grande sûreté de fonctionnement. Selon d’autres caractéristiques possibles : - ladite au moins une pompe à hydrogène est disposée en amont du ou des échangeurs de chaleur dans le sens de circulation de l’hydrogène à partir de ladite au moins une pompe à hydrogène; - le ou les échangeurs de chaleur sont configurés pour augmenter la température d’hydrogène au moins en partie par refroidissement d’un ou de plusieurs fluides; - le système comprend un circuit d’hydrogène en aval de ladite au moins une pompe à hydrogène dans le sens de circulation de l’hydrogène à partir de ladite au moins une pompe à hydrogène et un circuit de carburant en aval dudit au moins un dispositif de combustion, le ou les échangeurs de chaleur étant connectés de manière fluidique entre les deux circuits afin d’augmenter la température de l’hydrogène dans le circuit d’hydrogène à partir de la chaleur du carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion dans le circuit de carburant ; ainsi, la chaleur issue de cette combustion contribue principalement à l’augmentation de température de l’hydrogène; - le système comprend, en aval de ladite au moins une pompe à hydrogène dans le sens de circulation de l’hydrogène à partir de ladite au moins une pompe à hydrogène, une turbine configurée pour assurer une détente partielle de l’hydrogène sous pression afin de fournir à ladite au moins une pompe à hydrogène, sous forme mécanique via un arbre de transmission reliant la turbine à ladite au moins une pompe à hydrogène, au moins une partie de la puissance nécessaire au fonctionnement de ladite au moins une pompe à hydrogène ; - le système comprend, en aval dudit au moins un dispositif de combustion dans le sens de circulation du carburant à partir dudit au moins un dispositif de combustion, une turbine configurée pour assurer une détente partielle du carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion afin de fournir à ladite au moins une pompe à hydrogène, sous forme mécanique via un arbre de transmission reliant la turbine à ladite au moins une pompe à hydrogène, au moins une partie de la puissance nécessaire au fonctionnement de ladite au moins une pompe à hydrogène; - le système comporte un circuit de contournement de la turbine muni d’une vanne qui raccorde un point amont situé entre ledit au moins un dispositif de combustion et la turbine et un point aval situé en aval de la turbine, la vanne étant configurée pour contrôler le passage du flux du carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion dans la turbine et/ou le circuit de contournement de la turbine; - ladite au moins une pompe à hydrogène et la turbine forment conjointement une turbopompe; - le système comprend un séparateur de flux disposé en amont dudit au moins un dispositif de combustion dans le sens de circulation de l’hydrogène à partir de ladite au moins une pompe à hydrogène et qui est configuré pour séparer l’hydrogène en un premier flux fourni audit au moins un dispositif de combustion et un deuxième flux qui rejoint le carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion en aval de ce dernier ; - ladite au moins une pompe à hydrogène est une pompe à alimentation électrique et le système comprend au moins un moteur électrique configuré pour fournir à la pompe à alimentation électrique la totalité de la puissance nécessaire au fonctionnement de la pompe à alimentation électrique; - le circuit d’alimentation en air est configuré pour transporter de l’air prélevé sur un moteur à hydrogène jusqu’audit au moins un dispositif de combustion et comprend un dispositif de surpression configuré pour assurer une montée en pression de cet air en vue de l’introduire dans ledit au moins un dispositif de combustion. Un autre mode de réalisation concerne un engin de locomotion aérien, maritime ou terrestre, caractérisé en ce qu’il comprend un moteur aérobie à hydrogène et un système de conditionnement tel que brièvement exposé ci-dessus pour le conditionnement de carburant d’un moteur aérobie à hydrogène. Un autre mode de réalisation concerne un système d’alimentation en carburant d’une chambre de combustion d’un moteur aérobie à hydrogène, caractérisé en ce que le système d’alimentation en carburant comprend : - au moins un système de conditionnement de carburant tel que brièvement exposé ci-dessus, -au moins un réservoir d’hydrogène liquide configuré pour délivrer de l’hydrogène liquide à la dite au moins une pompe à hydrogène dudit au moins un système de conditionnement de carburant, et - un dispositif d’injection configuré pour injecter le carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion dudit au moins un système de conditionnement de carburant dans une chambre de combustion d’un moteur aérobie à hydrogène. Selon une caractéristique possible, le système comprend une pompe, par exemple immergée dans le réservoir, qui est configurée pour délivrer de l’hydrogène sous pression. Un autre mode de réalisation concerne un procédé de conditionnement de carburant pour un moteur aérobie à hydrogène, caractérisé en ce que le procédé comprend : - une montée en pression d’hydrogène liquide, - une montée en température de l’hydrogène sous pression, -une combustion partielle de l’hydrogène avec de l’air afin de produire un carburant comprenant un mélange de gaz incluant de l’hydrogène gazeux et qui est dépourvu d’oxygène. Selon d’autres caractéristiques possibles: - la montée en température d’hydrogène est obtenue au moins en partie en refroidissant un ou plusieurs fluides; - la montée en température d’hydrogène est obtenue au moins en partie en refroidissant le carburant issu de la combustion partielle; - le procédé comprend une détente partielle de l’hydrogène pour fournir sous forme mécanique au moins une partie de la puissance nécessaire à la montée en pression d’hydrogène liquide avant la combustion partielle de l’hydrogène; - le procédé comprend une détente partielle du carburant produit par la combustion partielle de l’hydrogène pour fournir sous forme mécanique au moins une partie de la puissance nécessaire à la montée en pression d’hydrogène liquide avant la combustion partielle de l’hydrogène; - au moins une partie de la puissance nécessaire à la montée en pression d’hydrogène liquide est fournie sous forme électrique ; - le procédé comprend la séparation d’un flux d’hydrogène qui a été soumis à une montée en pression et en température en un premier flux soumis à la combustion partielle et un deuxième flux qui rejoint le carburant produit la combustion partielle avant son injection dans une chambre de combustion d’un moteur; - l’hydrogène qui a été soumis à une montée en pression et en température est directement soumis à la combustion partielle. L’objet du présent exposé et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : La représente une première architecture possible d'un circuit d'un système de conditionnement de carburant SC1 intégré à un système 10 d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion d'un moteur aérobie à hydrogène d'aéronef selon l'invention; La représente une deuxième architecture possible d'un circuit d'un système de conditionnement de carburant SC2 intégré à un système 110 d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion d'un moteur aérobie à hydrogène d'aéronef selon l'invention; La représente une troisième architecture possible d'un circuit d'un système de conditionnement de carburant SC3 intégré à un système 1110 d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion d'un moteur aérobie à hydrogène d'aéronef selon l'invention; La représente une quatrième architecture possible d'un circuit d'un système de conditionnement de carburant SC4 intégré à un système 210 d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion d'un moteur aérobie à hydrogène d'aéronef selon l'invention; La représente un logigramme illustrant les principales étapes d’un procédé de conditionnement de carburant pour une chambre de combustion d'un moteur aérobie à hydrogène d'aéronef selon l'invention en relation avec chacune des différentes architectures des figures 1 à 4, et plus généralement, d’un procédé d’alimentation en carburant de cette chambre de combustion de moteur aérobie à hydrogène. Système de conditionnement de carburant (SC1 ; SC2 ; SC3 ; SC4) pour un moteur aérobie à hydrogène (M), caractérisé en ce que le système comprend : -au moins une pompe à hydrogène (16 ; 116 ; 1116 ; 216) configurée pour augmenter la pression d’hydrogène liquide provenant d’un réservoir, -un ou plusieurs échangeurs de chaleur (24, 26, 28 ; 124, 126, 128 ; 1124 ; 224, 226, 228) configurés pour augmenter la température de l’hydrogène sous pression, -un circuit d’alimentation en air (10G), - au moins un dispositif de combustion (32 ; 132 ; 1132 ; 232) configuré pour assurer une combustion partielle de l’hydrogène avec de l’air provenant du circuit d’alimentation en air afin de produire un carburant comprenant un mélange de gaz incluant de l’hydrogène gazeux et qui est dépourvu d’oxygène. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite au moins une pompe à hydrogène est disposée en amont du ou des échangeurs de chaleur dans le sens de circulation de l’hydrogène à partir de ladite au moins une pompe à hydrogène. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le ou les échangeurs de chaleur sont configurés pour augmenter la température d’hydrogène au moins en partie par refroidissement d’un ou de plusieurs fluides. Système selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend un circuit d’hydrogène en aval de ladite au moins une pompe à hydrogène dans le sens de circulation de l’hydrogène à partir de ladite au moins une pompe à hydrogène et un circuit de carburant en aval dudit au moins un dispositif de combustion, le ou les échangeurs de chaleur étant connectés de manière fluidique entre les deux circuits afin d’augmenter la température de l’hydrogène dans le circuit d’hydrogène à partir de la chaleur du carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion dans le circuit de carburant. Système selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend, en aval de ladite au moins une pompe à hydrogène dans le sens de circulation de l’hydrogène à partir de ladite au moins une pompe à hydrogène, une turbine configurée pour assurer une détente partielle de l’hydrogène sous pression afin de fournir à ladite au moins une pompe à hydrogène, sous forme mécanique via un arbre de transmission reliant la turbine à ladite au moins une pompe à hydrogène, au moins une partie de la puissance nécessaire au fonctionnement de ladite au moins une pompe à hydrogène. Système selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système comprend, en aval dudit au moins un dispositif de combustion dans le sens de circulation du carburant à partir dudit au moins un dispositif de combustion, une turbine configurée pour assurer une détente partielle du carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion afin de fournir à ladite au moins une pompe à hydrogène, sous forme mécanique via un arbre de transmission reliant la turbine à ladite au moins une pompe à hydrogène, au moins une partie de la puissance nécessaire au fonctionnement de ladite au moins une pompe à hydrogène. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système comporte un circuit de contournement de la turbine muni d’une vanne qui raccorde un point amont situé entre ledit au moins un dispositif de combustion et la turbine et un point aval situé en aval de la turbine, la vanne étant configurée pour contrôler le passage du flux du carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion dans la turbine et/ou le circuit de contournement de la turbine. Système selon l’une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ladite au moins une pompe à hydrogène et la turbine forment conjointement une turbopompe. Système selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend un séparateur de flux disposé en amont dudit au moins un dispositif de combustion dans le sens de circulation de l’hydrogène à partir de ladite au moins une pompe à hydrogène et qui est configuré pour séparer l’hydrogène en un premier flux fourni audit au moins un dispositif de combustion et un deuxième flux qui rejoint le carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion en aval de ce dernier. Système selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite au moins une pompe à hydrogène est une pompe à alimentation électrique et le système comprend au moins un moteur électrique configuré pour fournir à la pompe à alimentation électrique la totalité de la puissance nécessaire au fonctionnement de la pompe à alimentation électrique. Système selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d’alimentation en air est configuré pour transporter de l’air prélevé sur un moteur aérobie à hydrogène jusqu’audit au moins un dispositif de combustion et comprend un dispositif de surpression configuré pour assurer une montée en pression de cet air en vue de l’introduire dans ledit au moins un dispositif de combustion. Système d’alimentation en carburant (10 ; 110 ; 1110 ; 210) d’une chambre de combustion (CC) d’un moteur aérobie à hydrogène (M), caractérisé en ce que le système d’alimentation en carburant comprend : -au moins un système de conditionnement de carburant (SC1 ; SC2 ; SC3 ; SC4) selon l’une des revendications précédentes, -au moins un réservoir d’hydrogène liquide (12 ; 112 ; 1112 ; 212) configuré pour délivrer de l’hydrogène liquide à ladite au moins une pompe à hydrogène (16 ; 116 ; 1116 ; 216) dudit au moins un système de conditionnement de carburant (SC1 ; SC2 ; SC3 ; SC4), et -un dispositif d’injection (DI) configuré pour injecter le carburant produit par ledit au moins un dispositif de combustion dudit au moins un système de conditionnement de carburant dans une chambre de combustion (CC) d’un moteur aérobie à hydrogène (M). Système d’alimentation en carburant selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une pompe (14 ; 114 ; 1114 ; 214) qui est configurée pour délivrer de l’hydrogène sous pression audit au moins un système de conditionnement de carburant. Procédé de conditionnement de carburant pour un moteur aérobie à hydrogène, caractérisé en ce que le procédé comprend : - une montée en pression d’hydrogène liquide, - une montée en température de l’hydrogène sous pression, -une combustion partielle de l’hydrogène avec de l’air afin de produire un carburant comprenant un mélange de gaz incluant de l’hydrogène gazeux et qui est dépourvu d’oxygène. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la montée en température d’hydrogène est obtenue au moins en partie en refroidissant un ou plusieurs fluides. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que la montée en température d’hydrogène est obtenue au moins en partie en refroidissant le carburant issu de la combustion partielle. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une détente partielle de l’hydrogène pour fournir sous forme mécanique au moins une partie de la puissance nécessaire à la montée en pression d’hydrogène liquide avant la combustion partielle de l’hydrogène. Procédé selon l’une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu’il comprend une détente partielle du carburant produit par la combustion partielle de l’hydrogène pour fournir sous forme mécanique au moins une partie de la puissance nécessaire à la montée en pression d’hydrogène liquide avant la combustion partielle de l’hydrogène. Procédé selon l’une des revendications 14 à 16, 18, caractérisé en ce qu’au moins une partie de la puissance nécessaire à la montée en pression d’hydrogène liquide est fournie sous forme électrique. Procédé selon l’une des revendications 14 à 17, caractérisé en ce qu’il comprend la séparation d’un flux d’hydrogène qui a été soumis à une montée en pression et en température en un premier flux soumis à la combustion partielle et un deuxième flux qui rejoint le carburant produit la combustion partielle avant son injection dans une chambre de combustion d’un moteur. Procédé selon l’une des revendications 14 à 16, 18, 19, caractérisé en ce que l’hydrogène qui a été soumis à une montée en pression et en température est directement soumis à la combustion partielle.