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CA 02656435 2008-12-29
WO 2008/001006 PCT/FR2007/051528
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Titre de l'invention
Système de génération de puissance pour aéronef utilisant une
pile à combustible.
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne un système de génération de puissance
pour aéronef, plus particulièrement pour avion, utilisant une pile à
combustible.
Dans un avion, l'énergie électrique nécessaire pour le
fonctionnement en vol de différents équipements électriques est
couramment fournie par une ou plusieurs génératrices associées à des
moteurs de l'avion. Dans le cas de moteurs à turbine à gaz, il est connu
d'utiliser des démarreurs/générateurs, ou S/G (pour "Starter/Generator").
Ceux-ci sont couplés mécaniquement à un arbre de la turbine par
f'intermédiaire d'une boîte de transmission et fonctionnent soit en
générateur électrique, en régime de vol, soit en moteur électrique, au
démarrage. Un générateur de puissance auxiliaire, ou APU (pour
"Auxiliary Power Unit") fournit de l'énergie électrique notamment au sol,
lorsque les moteurs de l'avion sont à l'arrêt. Un APU comporte
couramment une turbine à gaz entraînant un générateur.
L'énergie électrique étant de plus en plus préférée à l'énergie
hydraulique pour l'actionnement d'équipements des avions et de leurs
moteurs, il existe un besoin croissant de production d'énergie électrique à
bord des avions.
Pour faire face à ce besoin croissant sans augmenter le nombre
ou la puissance de générateurs tels que des S/G, l'utilisation d'une pile à
combustible dans un APU a été envisagée. On pourra se référer au
document CA 2 427 448 qui décrit un système de production d'énergie
électrique comprenant une pile à combustible à oxyde solide, ou SOFC
(pour "Solid Oxide Fuel Cell'). La pile reçoit un combustible hydrocarbure
et de l'air comprimé provenant d'un compresseur et produit un courant
électrique continu ainsi qu'un flux gazeux chaud sous pression. Une
turbine est alimentée par ce flux gazeux et entraîne le compresseur.
L'ensemble SOFC, turbine et compresseur fonctionne de façon
similaire à une turbine à gaz à combustion classique, la SOFC se
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substituant à la chambre de combustion tout en produisant une énergie
électrique et sans émission polluante d'oxydes d'azote (NOx).
Objet et résumé de l'invention
L'invention propose un système de génération de puissance
pour un aéronef permettant d'exploiter les ressources d'une pile à
combustible au-delà de la simple production d'énergie directement par
celle-ci, un tel système comprenant :
- un premier compresseur,
- une pile à combustible ayant une entrée d'air comprimé reliée
au compresseur et une entrée de combustible, et produisant une énergie
électrique continue,
- une turbine recevant un flux gazeux sous pression issu de la
pile à combustible et couplée mécaniquement au premier compresseur
pour entraîner celui-ci, et
- un deuxième compresseur d'un circuit d'alimentation de
cabine de l'aéronef en air pressurisé, en régime de vol, le compresseur
d'alimentation cabine étant couplé mécaniquement à un arbre de la
turbine.
L'utilisation d'un APU à turbine à gaz classique pour entraîner
un compresseur assurant une circulation d'air dans une cabine d'aéronef
est connue, mais lorsque l'aéronef est au soi, l'APU étant insuffisant pour
assurer la pressurisation de la cabine à l'altitude de vol de croisière. On
pourrait certes envisager de dimensionner un APU classique à cet effet,
mais cela conduirait à un bilan globalement désavantageux, de sorte que
l'entraînement d'un compresseur de circuit d'alimentation de cabine en air
pressuré en régime de vol est habituellement réalisé par un moteur
électrique alimenté par le réseau électrique de l'avion.
L'utilisation d'une pile à combustible apporte une augmentation
du rendement énergétique et permet, en régime de vol, un entraînement
du compresseur du circuit d'alimentation de la cabine en air, par couplage
mécanique avec un arbre de la turbine du système de génération de
puissance, sans pénalisation par rapport à l'utilisation d'un moteur
électrique alimenté par le réseau électrique de l'avion. On peut donc se
passer, pour ce compresseur, d'un moteur électrique dédié et de
l'alimentation de celui ci.
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Selon un mode de réalisation, le premier compresseur et le
deuxième compresseur sont entraînés par un même arbre de turbine.
Selon un autre mode de réalisation, la turbine comprend un
premier étage de turbine recevant le flux gazeux sous pression issu de la
pile à combustible et entraînant un premier arbre de turbine, et un
deuxième étage de turbine recevant un flux gazeux issu du premier étage
de turbine et entraînant un deuxième arbre de turbine, et le premier
compresseur est entraîné par le premier arbre de turbine tandis que le
deuxième compresseur est entraîné par le deuxième arbre de turbine. On
retrouve une configuration similaire à celle d'une turbine à gaz à
combustion classique avec un arbre de turbine haute pression et un arbre
de turbine basse pression.
On peut en outre prévoir une machine électrique montée en
commun avec le deuxième compresseur sur le même arbre de turbine.
La machine électrique peut avoir un premier mode de
fonctionnement de génératrice électrique et un deuxième mode de
fonctionnement de moteur électrique, et un circuit de régulation peut être
prévu pour commuter le fonctionnement de la machine électrique entre le
premier mode et le deuxième mode afin de maintenir le couple mécanique
disponible sur l'arbre de turbine sur lequel la machine électrique est
montée, au moins égal à une valeur minimale déterminée, ou afin
d'asservir la vitesse de rotation de la machine électrique à une valeur de
consigne prédéterminée.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description
faite ci-après en référence au dessin annexé qui montre :
- figure 1, une vue très schématique d'un mode de réalisation
d'un système de génération de puissance conforme à l'invention ; et
- figure 2, une vue très schématique d'une variante de
réalisation du système de génération de puissance de la figure 1.
Description détaillée de modes de réalisation
Le système de génération de puissance dans un avion tel que
montré sur la figure 1 comprend une pile à combustible 10, telle qu'une
pile à combustible à oxyde solide SOFC formée d'une pluralité d'éléments
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de pile disposés côte à côte, en série. La pile 10 est alimentée en
combustible hydrocarbure et en air comprimé, l'oxygène de l'air comprimé
permettant, avec l'hydrogène du combustible, la production d'énergie
électrique. La réalisation et le fonctionnement d'une telle pile SOFC sont
bien connus et ne sont pas décrits en détail.
Le combustible amené depuis un réservoir (non représenté) par
une conduite 12 peut être du méthane (CH4). On notera que l'utilisation
d'autres hydrocarbures comme combustible de pile SOFC est connue, y
compris l'utilisation de kérosène, de sorte que la pile 10 pourrait être
alimentée à partir d'un réservoir de carburant pour les moteurs de l'avion.
L'air comprimé est amené par une conduite 14 à partir d'un
compresseur 20. L'air alimentant le compresseur 20 peut être celui ayant
circulé dans la cabine 40 de l'avion et amené au compresseur par une
conduite 42.
La pile SOFC 10 produit une énergie électrique sous forme d'un
courant continu disponible sur une ligne 16. La ligne 16 est reliée à un
réseau électrique 44 de l'avion. Une batterie 18 est également reliée à la
ligne 16 pour stocker une éventuelle énergie électrique non utilisée et
pour amortir des variations transitoires électriques qui peuvent être de
forte amplitude, par exemple dues à des disjonctions, connexions, arrêts
ou démarrage brutaux d'équipements électriques. Le réseau électrique 44
de l'avion est en outre alimenté de façon classique par des générateurs
tels que des S/G entraînés par les moteurs de l'avion.
Les gaz chauds comprimés issus de la pile SOFC 10 et
contenant essentiellement du dioxyde de carbone CO2 et de la vapeur
d'eau H2O sont amenés à une turbine 30 par une conduite 32. La turbine
est entraînée en rotation par les gaz chauds comprimés et est couplée
mécaniquement au compresseur 20, les rotors de la turbine 30 et du
compresseur 20 étant montés sur un même arbre 34 de la turbine.
30 Les gaz issus de la turbine 30 sont évacués par une conduite
36. Un échangeur de chaleur 38 a deux circuits de gaz séparés connectés
en série avec les canalisations 14 et 36, respectivement. L'échangeur 38
utilise l'énergie calorifique résiduelle des gaz issus de la turbine pour
réchauffer l'air comprimé amené à la pile SOFC 10.
La turbine 30 entraîne en outre un deuxième compresseur 46
faisant partie d'un circuit d'alimentation de la cabine 40 en air. Le
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compresseur 46 est alimenté par de l'air extérieur et comprime celui-ci
pour l'amener à la cabine 40 par une conduite 48 à travers un système 49
qui permet d'ajuster la température et la pression de l'air, ou système ECS
(pour "Environemental Controi System") bien connu en soi.
5 Dans le mode de réalisation de la figure 1, le compresseur 46
est monté sur l'arbre 34 de la turbine 30.
La turbine 30 est en outre couplée rnécaniquement à une
machine électrique 50 ayant un rotor monté sur l'arbre 34. D'autres
charges mécaniques pourront éventuellement être couplées à la
turbine 30.
La machine électrique 50 peut avoir un mode de
fonctionnement en génératrice électrique ou un mode de fonctionnement
en moteur électrique. La machine 50 peut être réalisée comme une
machine S/G comprenant une génératrice synchrone 50a ayant un rotor
principal avec un inducteur et un stator principal avec un induit, et une
excitatrice 50b ayant un stator avec un inducteur et un rotor avec un
induit, l'induit de l'excitatrice étant relié à l'inducteur de la génératrice
synchrone par un redresseur formé par un pont de diodes tournant.
Le mode de fonctionnement de la machine électrique 50 est
piloté par un circuit de régulation 52, la machine électrique fonctionnant
en génératrice électrique lorsque le couple ou la puissance mécanique
fournis par la turbine excèdent les besoins des compresseurs 20 et 46 et
d'autres charges éventuellement présentes, et la machine électrique 50
fonctionnant en moteur électrique pour assister la turbine afin de fournir
le couple ou la puissance mécanique minima nécessaires pour les besoins
des compresseurs 20 et 46 et d'autres charges éventuellement présentes.
En mode de fonctionnement en génératrice, le circuit 52
alimente l'inducteur de l'excitatrice 50b en courant alternatif fournie par le
réseau électrique 44, et la tension alternative fournie par la génératrice
synchrone 50a est injectée dans le réseau électrique 44 de l'avion par une
ligne 53.
En mode de fonctionnement en moteur, le circuit 52 alimente
l'inducteur de l'excitatrice 50b en courant continu tandis que l'induit de la
génératrice 50a est alimenté en courant alternatif par la ligne 53 à partir
du réseau. Le courant continu nécessaire à l'alimentation de l'inducteur de
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l'excitatrice peut être prélevé sur le réseau 44, après redressement
éventuel, ou être prélevé en sortie de la pile SOFC 10 ou de la batterie 18.
Le circuit de régulation 52 commande le mode de
fonctionnement de la machine 50 de manière à maintenir le couple
disponible en sortie de turbine au moins égal à une valeur minimale
déterminée. A cet effet, le circuit de régulation 52 reçoit un signal fourni
par un capteur 54 et représentatif du couple en sortie de turbine, par
exemple un signal représentatif de la vitesse de rotation de l'arbre 34. Le
pilotage de la puissance de la machine électrique peut se faire en
asservissant la valeur de sa vitesse de rotation et donc celle du
compresseur de pressurisation 46, à une valeur de consigne
prédéterminée.
La figure 2 illustre une variante de réalisation qui se distingue
du mode de réalisation de la figure 1 en ce que la turbine 30 comprend un
premier étage de turbine 30a entraînant l'arbre 34 et un deuxième étage
de turbine 30b alimenté par le flux gazeux issu du premier étage 30a et
entraînant un arbre 35, le deuxième compresseur 46 et la machine
électrique étant montés sur l'arbre 35. L'échangeur de chaleur 38 reçoit le
flux gazeux issu du second étage (30b) de turbine, avant évacuation de
celui-ci. Les arbres 34 et 35 sont coaxiaux, l'arbre 35 étant entraîné avec
une vitesse de rotation plus faible que celle de l'arbre 34. On retrouve une
configuration analogue à celle des arbres haute pression et basse pression
d'une turbine à gaz à combustion classique.
La machine 50 étant montée sur le même arbre 35 que le
compresseur 46, elle permet de suppléer le cas échéant un déficit de
puissance d'entraînement par l'étage de turbine 30b. Le capteur de
vitesse 54 est associé à l'arbre 35. Comme précédemment, le pilotage de
puissance de la machine électrique par le circuit de régulation 52 peut se
faire en asservissant la valeur de sa vitesse de rotation et donc celle du
compresseur de pressurisation 46, à une valeur de consigne
prédéterminée.
