FR3113648A1 - Dispositif de vidange rapide de carburant pour les engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins, utilisant un carburant cryogénique ou gazeux. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de vidange rapide de carburant cryogénique ou gazeux, que ces carburants soient stockés sous forme liquide, sous forme gazeuse ou sous la forme d’un mélange dysphasique liquide et gazeux, pour des engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins et que ces engins soient en mouvement ou statique. Ce système, particulièrement pensé pour des aéronefs utilisant de l’hydrogène, mais généralisable aux autres moyens de transport et à d’autres carburants, permet d’évacuer rapidement et en toute sécurité, tout ou partie de la quantité de carburant stocké dans l’appareil, en cherchant à contrebalancer la poussée et la traînée générées par l’opération de purge, l’éjection et éventuellement la combustion du carburant. Figure pour l’abrégé : [Fig 3]

Description

Dispositif de vidange rapide de carburant pour les engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins, utilisant un carburant cryogénique ou gazeux.

Dans le cadre de la recherche d’une industrie du transport décarbonée, de nombreux projets utilisant des carburants cryogéniques ou gazeux sont étudiés. Ces carburants peuvent être stockés sous forme liquide, gazeuse ou d’un mélange de liquide et de gaz. Lorsqu’ils sont stockés sous forme gazeuse, ces carburants nécessitent des réservoirs à forte pression. Lorsqu’ils sont stockés sous forme liquide, ces carburants requièrent de faire appel aux technologies de la cryogénie. Les dangers de la cryogénie sont principalement engendrés par la grande quantité de fluide à l’état liquide à très basse température, susceptible une fois réchauffée, de se gazéifier et d’occuper un volume très supérieur, qui peut produire une montée en pression allant jusqu’à l’explosion de l’installation. Cette séquence peut être particulièrement rapide par exemple dans le cas accidentel d’entrées de chaleur.

Le dihydrogène est certainement le dessein de carburant cryogénique ou gazeux le plus ambitieux et qui a sûrement le plus grand avenir potentiel. C’est pourquoi nous le prendrons comme exemple pour la suite du descriptif de l’invention. De même, l’aéronautique constitue certainement l’application la plus délicate. La première étape de développement de l’hydrogène consistera manifestement en l’utilisation de l’hydrogène comme carburant de systèmes de propulsion classiques. La deuxième phase réside en l’association de l’hydrogène avec des technologies de type pile à combustible.

Les dangers affectés à l’hydrogène résultent principalement :
- Des risques de fuites provenant de la petite taille de la molécule d’hydrogène.
- Des risques d’inflammabilité engendrés par la petite quantité d’énergie nécessaire pour l’enflammer.
- Des risques d’explosions associés à sa forte instabilité.

In fine, la présence à bord d’un engin d’une telle quantité de dihydrogène, qu’elle soit sous forme gazeuse ou liquide, représente une forte augmentation de la gravité en cas de dysfonctionnement de l’appareil, sans même que ce dysfonctionnement ne soit forcément généré par l’hydrogène lui-même, ou par son système de stockage ou de distribution. Par conséquent, il est indispensable de prévoir sur ce type de machine, un principe de vidange ou de purge rapide de tout ou partie de l’hydrogène stocké dans l’appareil. Cette aggravation du danger est particulièrement présente dans le cadre d’un aéronef devant aborder la phase critique de l’atterrissage en présence d’une défaillance technique.

La purge prendra une forme différente suivant que l’engin sera en mouvement ou statique ou qu’il évolue dans l’air ou dans l’eau. La vidange du réservoir de stockage d’hydrogène, même si la combustion rapide d’une grande quantité d’hydrogène peut générer quelques NOx, présente l’avantage d’être relativement neutre d’un point de vue écologique, contrairement par exemple à la vidange en vol du kérosène d’un avion.

La présente invention concerne donc un dispositif de vidange rapide de tout ou partie de l’hydrogène, ou d’un autre carburant cryogénique ou gazeux, des engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins. Le dispositif comprend une vanne rapide ou un disque de rupture, permettant d’alimenter une tuyauterie rigide ou souple, elle-même reliée à une tuyère spécifique fixe ou déployable. Par rapide, il faut entendre ici un système capable de vider un réservoir d’hydrogène en quelques minutes. Ce concept n’a donc rien à voir avec les mécanismes d’évents, dont l’objectif est l’évacuation des gaz d’hydrogène évaporé afin de réguler la montée en pression du réservoir. Le dispositif de purge rapide sera alimenté en hydrogène soit par gravité, soit par surpression dans le réservoir d’hydrogène, soit par l’intermédiaire d’un système de pompe ou de compresseur.

La tuyère spécifique comporte plusieurs fonctions, par exemple :
- Assurer l’éjection de l’hydrogène en dehors de l’engin et le diluer dans le milieu environnant, air ou eau.
- Initialiser la combustion de l’hydrogène dans l’air, si l’engin évolue dans l’atmosphère.
- Engendrer une traînée qui compense tout ou partie la poussée générée par l’éjection et l’éventuelle combustion de l’hydrogène.
- Protéger l’appareil des phénomènes de feu ou de chaleur générés par la combustion de l’hydrogène.
- Tendre la ligne de vidange et éloigner la zone de purge des structures de l’appareil.

Comme le montre la , cette tuyère spécifique de vidange rapide est composée des éléments suivants :
- Un canal central (1) dans lequel est éjecté l’hydrogène et qui peut comporter une partie de pré-mélange sous forme par exemple de lumière (3) d’alimentation d’air et un système d’allumage (4).
- Un entonnoir extérieur (2) centré et fixé sur le canal central (1), capable de canaliser un flux d’air venant rejoindre le jet d’hydrogène et servant à la fois, à alimenter en oxygène la combustion de l’hydrogène, à entraîner par viscosité l’hydrogène loin de l’aéronef et à créer autour du jet d’hydrogène et de la combustion une gaine de protection sous forme d’un flux d’air frais et de dilution de la température.

Le démarrage d’une séquence de vidange rapide peut prévoir un système qui initialise un inertage du conduit de vidange avant l’ouverture de la vanne ou du disque de purge. De même, à la fin de la séquence de vidange de l’hydrogène une autre séquence d’inertage pourra terminer l’opération en toute sécurité.

Lorsqu’il y a combustion de l’hydrogène dans l’air, le phénomène est complexe et rapide. Dans le cadre d’une flamme en jet libre, à partir d’une certaine vitesse de jet, la flamme est le plus souvent de type « flamme liftée ». Ce type de flamme détachée comprend en général 3 zones de développement longitudinal. Une première zone d’extinction induite par le fort gradient de vitesse et la concentration trop riche en carburant. Suivie d’une phase de développement de la combustion, qui se développe particulièrement à la surface extérieure du jet de carburant à la confluence des 2 flux comburant et carburant. Enfin une zone de dilution, de ralentissement du jet et d’extinction de la combustion par manque de carburant.

Dans cette configuration, en fonction de la vitesse du jet primaire d’hydrogène et de celle de l’écoulement secondaire d’air provoqué via l’entonnoir extérieur (2) par la vitesse de l’appareil, des extinctions accidentelles temporaires ou définitives de la combustion sont possibles. Dans certains cas, un régime alternatif, pulsé et potentiellement détonant risque de s’établir. Pour contrer cette situation le canal central pourra être équipé d’un système de pré-mélange, par exemple sous forme de lumière (3), permettant à l’air de se mélanger à l’hydrogène avant la sortie du canal central (1) et d’un dispositif d’allumage (4) permettant de s’assurer de l’initiation de la combustion et/ou du rallumage de cette dernière en cas d’extinction.

Cependant, suivant les conditions de vol (altitude, vitesse, température, attitude de l’aéronef, météorologie, environnement, etc. …), le choix d’initialiser la combustion du mélange hydrogène/air ou de privilégier une vidange sans combustion avec dilution de l’hydrogène dans l’air, pourra être différent. En effet, le taux élevé de diffusion de l’hydrogène gazeux dans l’air et sa rapide dilution dans l’atmosphère constitue un avantage en termes de sécurité, sans avoir forcément besoin d’initier une combustion. Lorsque la diffusion du carburant dans l’air n’est pas suffisante pour une dilution rapide ou pour une combustion stabilisée, la présente invention pourra être complétée par des systèmes de type mélangeur positionnés à l’extrémité du canal central et se matérialisant par l’alternance d’ondulations intérieures et extérieurs répartis sur la circonférence.

Par exemple, dans le cadre d’un engin aérien, quand le dispositif de vidange rapide est déployé, le canal central et l’entonnoir extérieur peuvent reculer afin de s’éloigner de la structure de l’aéronef et de sortir de la couche limite de l’appareil, alors que l’entonnoir extérieur s’ouvre pour prendre sa position finale, comme illustré sur la . La forme de l’entonnoir pourra suivant les cas, s’apparenter à un cône, une demi-sphère ou une forme parabolique profilés et tronqués sur le haut. Son degré d’ouverture pourra être fixe ou variable en fonction de la disposition de l’aéronef. La pièce pourra être réalisée avec une matière rigide, métallique ou composite, ou en matière souple, élastomère ou textile. Le rôle de l’entonnoir extérieur est multiple suivant les configurations de la purge.

En vol ou lorsque l’aéronef est en mouvement, l’entonnoir extérieur canalise un flux d’air frais sur la zone extérieure d’éjection du canal central. Il génère une sorte de gaine d’air frais qui englobe et entraîne le flux d’hydrogène, qui contient la combustion lorsqu’elle se déroule, puis dilue l’hydrogène ou le produit de sa combustion, afin de retrouver rapidement des conditions sécuritaires. Il crée également une force de traînée qui compense plus ou moins la force de poussée provoquée par l’éjection de l’hydrogène via le canal central avec ou sans combustion. Cette force de traînée permet également de maintenir dans sa position reculée le dispositif. Par ailleurs, la surface extérieure à l’arrière de l’entonnoir sert de bouclier thermique protégeant la cellule de l’avion des charges thermiques et d’éventuels retours de flammes liés à des instabilités ou des phénomènes de détonations. Si la tuyère spécifique de vidange rapide est alimentée par tout ou partie de tuyau souple ou flexible, l’entonnoir extérieur rempli également le rôle de stabilisateur du dispositif, via par exemple un système d’ailerons.

Au sol et à l’arrêt, deux cas de figure peuvent se présenter dans le cadre d’une purge de l’hydrogène d’un appareil :
- Soit le parking de l’aéronef est équipé d’une infrastructure spécifique qui permet de vidanger et/ou récupérer le dihydrogène. Dans ce cas, le présent dispositif prévoit un système spécifique de connexion à cette infrastructure et le principe de la tuyère spécifique de vidange est rendu inopérant.
- Soit le parking de l’aéronef n’est pas équipé de cette infrastructure spécifique. Dans ce cas, la purge se fera via la tuyère spécifique de vidange rapide. En l’absence de mouvement de l’appareil, il n’y aura pas d’écoulement d’air dans l’entonnoir extérieur. Pour assurer le rôle de protection et de gainage que réalisait l’air frais dans le cas où l’appareil est en mouvement, le dispositif peut être connecté a une borne à incendie et pulvériser par l’intermédiaire d’une buse circulaire (5) située sur la partie arrière de l’entonnoir extérieur (2), une gaine de protection sous forme d’un film d’eau qui entoure le jet d’hydrogène. Ce jet d’eau permet aussi de matérialiser le jet d’hydrogène et son éventuelle combustion souvent peu visible, de protéger les structures de l’aéronef de la chaleur en cas de combustion et de retour de flammes, ainsi que d’éloigner de l’appareil, la zone de dilution ou de combustion de l’hydrogène dans l’air. Une autre option pour la purge au sol ou à faible vitesse, consiste à intégrer dans l’entonnoir extérieur, un ventilateur de type « fan » (6), qui sera capable de générer un flux d’air semblable à celui naturellement présent lorsque l’aéronef est en mouvement. Ce ventilateur pourra être entraîné par un moteur électrique.

Comme déjà évoquée plus haut, la montre un dispositif de purge rapide qui peut comprendre une partie de canalisation d’alimentation sous forme d’un tuyau souple ou flexible. Ce dispositif à tuyau souple (7), pourra être déroulable, réenroulable ou même largable. L’avantage d’associer au tuyau souple, une perche rigide (8), permet un léger recul droit de la tuyère spécifique sans que le dispositif ne tombe vers le bas, lorsque la purge rapide se déroule au sol et à l’arrêt. Pour les vidanges en vol, le tuyau (perche + partie souple) pourra être totalement déroulé et pendre derrière l’appareil, assurant ainsi un plus grand éloignement de la zone de purge. Afin de soulager la tension dans le tuyau souple, un système à câble pilotable (9) pourra maintenir en position et en tension la tuyère spécifique de vidange rapide.

Dans le cadre des aéronefs, les dispositifs de purges peuvent être situés en fonction de la position des réservoirs d’hydrogène et des technologies retenues, directement sur les ailes, sur des réservoirs supplémentaires extérieurs (bidons), à l’arrière des moteurs, sur un pod (ensemble moteur + réservoir), à l’arrière ou en dessous de l’appareil. Ces dispositifs peuvent être fixes ou déployables, réutilisables ou jetables, suivant leur position et leur technologie.

Naturellement, pour la viabilité et pour assurer la continuité du vol de l’aéronef, le dispositif peut être couplé avec une technologie de type réserve d’hydrogène sécuritaire, prérempli ou associé à un système de transfert et de remplissage venant du ou des réservoirs principaux.

Par extension des principes énoncés ci-dessus dans le cadre d’un aéronef, et en fonction de l’environnement autour des installations, ce dispositif de vidange rapide pourra être adapté à tous les engins, aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins, utilisant l’hydrogène comme carburant. Dans le cadre des véhicules terrestres ou des bateaux, une partie de la canalisation pour l’alimentation de la tuyère spécifique pourra être dirigée vers le haut, ce qui permettra de limiter les risques d’incendies, de brûlures et/ou d’explosions au contact d’autres appareils ou d’infrastructures. Concernant les engins navals ou sous-marins, la vidange suivant les mêmes principes pourra être réalisée directement dans l’eau.

De même par similitude, les descriptifs développés ci-dessus dans le cadre du dihydrogène, pourront être étendus à l’ensemble des carburants cryogénique ou gazeux.

Claims (15)

1. Dispositif de vidange rapide pour carburant cryogénique ou gazeux , caractérisé par le fait qu’il est équipé d’une vanne rapide ou d’un disque de rupture, permettant d’alimenter une tuyauterie rigide ou souple, elle-même reliée à une tuyère spécifique fixe ou déployable.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la tuyère spécifique de vidange est composée d’un canal central (1).
3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la tuyère spécifique de vidange est composée d’un entonnoir extérieur (2).
4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le canal central (1) comporte une zone de pré-mélange sous forme de lumières d’alimentation d’air (3) et un système d’allumage (4).
5. Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le canal central (1) possède à son extrémité un mélangeur matérialisé par l’alternance d’ondulations intérieures et extérieurs répartis sur la circonférence.
6. Dispositif selon les revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le dispositif prévoit un système spécifique de connexion à une infrastructure extérieure de récupération du carburant et rendant la tuyère spécifique de vidange inopérante.
7. Dispositif selon les revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le dispositif peut être connecté a une borne à incendie et pulvériser de l’eau par l’intermédiaire de buses (5).
8. Dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l’entonnoir extérieur comprend un ventilateur (6) capable de généré un flux d’air même à l’arrêt.
9. Dispositif selon les revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le dispositif comprend une partie de tuyau souple (7).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le dispositif est déroulable et réenroulable.
11. Dispositif selon les revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le dispositif comprend une perche rigide (8).
12. Dispositif selon les revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que le dispositif comprend un câble (9) de reprise d’efforts pour soulager la tension dans le tuyau souple.
13. Dispositif selon les revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que tout ou partie du dispositif est largable.
14. Dispositif selon les revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que la séquence de vidange est précédée et/ou suivie d’une séquence d’inertage du dispositif.
15. Dispositif suivant les revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que lesdits dispositifs de vidange rapide, sont utilisés dans le cadre d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins.