WO2024084168A1 - Systeme d'alimentation en hydrogene d'une turbomachine et dispositif de regulation d'un tel systeme d'alimentation en hydrogene - Google Patents

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WO2024084168A1
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hydrogen
pressure
combustion chamber
accumulator
setpoint
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/051632
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English (en)
Inventor
Pierre Cabrera
Romain Eric Bernard LE RIBOTER
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Safran Aircraft Engines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/22—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being gaseous at standard temperature and pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22—Fuel supply systems
    • F02C7/224—Heating fuel before feeding to the burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/40—Control of fuel supply specially adapted to the use of a special fuel or a plurality of fuels

Definitions

  • the present invention relates, generally, to a hydrogen supply system for a turbomachine, such as an aircraft engine, using hydrogen as fuel. It relates more particularly to a device for regulating a hydrogen supply system of such a turbomachine.
  • a hydrogen supply system for a turbomachine has the function of supplying a controlled flow of hydrogen to the injectors located in a combustion chamber of the turbomachine.
  • the hydrogen supply system of the turbomachine comprises in series, in one direction of circulation of the hydrogen, from upstream to downstream:
  • a heating element intended to raise the temperature of the liquid hydrogen so as to allow its evaporation into gaseous hydrogen
  • a metering member intended to meter the mass flow of the hydrogen gas entering the combustion chamber
  • the cut-off valve is connected to a supply line which is connected to the injectors of the turbomachine.
  • the invention aims to resolve the problems of the prior art by providing a device for regulating a hydrogen supply system of a turbomachine comprising a combustion chamber, the hydrogen supply system comprising, in particular arranged in series , at least :
  • metering member advantageously connected to the combustion chamber, characterized in that it further comprises
  • a first regulator capable of controlling the pressurization member as a function of a hydrogen pressure in the hydrogen accumulator and a hydrogen pressure setpoint in the hydrogen accumulator
  • a second regulator capable of controlling the dosing member as a function of a flow rate of hydrogen injected into the combustion chamber and a set rate of flow rate of hydrogen to be injected into the combustion chamber.
  • the hydrogen accumulator makes it possible to decouple the dynamics of the upstream part of the hydrogen supply system from the downstream part of the hydrogen supply system.
  • the first regulator controls the operation of the pressurization member as a function of a difference between the hydrogen pressure in the hydrogen accumulator and the hydrogen pressure setpoint in the hydrogen accumulator.
  • the second regulator controls the operation of the metering member as a function of a difference between the flow rate of hydrogen injected into the combustion chamber and the set rate of flow rate of hydrogen to be injected into the combustion chamber .
  • the regulation device further comprises a pressure setpoint development circuit capable of determining the hydrogen pressure setpoint.
  • the pressure setpoint development circuit comprises an input connected to an engine control device of the turbomachine and an output connected to a first subtractor intended to calculate the difference between the value of the hydrogen pressure and the hydrogen pressure setpoint.
  • the pressure setpoint development circuit comprises a downstream pressure development module capable of determining a hydrogen pressure downstream of the dosing member.
  • the downstream pressure development module determines the hydrogen pressure downstream of the metering member from the value of the flow rate of hydrogen injected into the combustion chamber and a pressure value hydrogen in the combustion chamber.
  • the pressure setpoint development circuit comprises a stabilized setpoint development module capable of determining a stabilized hydrogen pressure setpoint in the hydrogen accumulator.
  • the pressure setpoint development circuit comprises a phase advance determination module capable of defining compensation for a response time of the first regulator in transient mode.
  • the dosing member ensures sonic and/or subsonic dosing, depending on the hydrogen pressure pressure setpoint.
  • the invention also relates to a hydrogen supply system for a turbomachine, characterized in that it comprises a regulation device as previously presented.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising injectors, characterized in that it comprises a hydrogen supply system as previously presented.
  • the invention also relates to an aircraft comprising a turbomachine as previously presented.
  • the hydrogen supply system of a turbomachine, the turbomachine and the aircraft have advantages similar to those previously presented.
  • Figure 1 schematically illustrates a hydrogen supply system for a turbomachine according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2 illustrates graphs presenting temporal evolutions of a hydrogen flow rate at the outlet of a hydrogen accumulator of the hydrogen supply system according to the invention.
  • Figure 3 schematically illustrates a device for regulating the hydrogen supply system of the turbomachine, according to one embodiment of the invention.
  • Figure 4 illustrates a circuit for developing the hydrogen pressure setpoint in the hydrogen accumulator of the hydrogen supply system according to the invention
  • Figure 5 illustrates graphs presenting a temporal evolution of a hydrogen pressure setpoint at the hydrogen accumulator outlet of the hydrogen supply system, according to one embodiment of the invention. Identical, similar or equivalent parts of the different figures bear the same numerical references so as to facilitate the transition from one figure to another.
  • Figure 1 schematically presents an embodiment of the invention of a hydrogen supply system A of a turbomachine capable of supplying a controlled flow of hydrogen to injectors 100 located in a combustion chamber of the turbomachine.
  • the hydrogen supply system A comprises, in a direction of circulation of the hydrogen, from upstream to downstream, a hydrogen tank 1, in particular in which the hydrogen is in a liquid state cryogenic, in particular at low pressure, for example of an order of magnitude between 2 bar and 3 bar, and at low temperature, for example of an order of magnitude of 10K.
  • the hydrogen tank 1 is connected to a pressurization member 2 intended to raise the hydrogen, in particular liquid hydrogen, under pressure.
  • the increase in pressure of the hydrogen is carried out so as to maintain a hydrogen pressure at injection greater than a pressure of the combustion chamber Pcc of the turbomachine.
  • the pressurization member 2 can, for example, be a pump, in particular a centrifugal pump, or several pumps, in particular several centrifugal pumps, in series.
  • the pressurization member 2 is connected to a heating member 3, intended to raise the hydrogen, in particular liquid hydrogen, in temperature. Such a rise in temperature ensures evaporation of the hydrogen entering the heating member 3 into gaseous hydrogen, while controlling a range of temperatures admissible for the combustion of the hydrogen.
  • the heating member 3 can, for example, be an electrical exchanger or an exchanger with another heated fluid.
  • the heating member 3 is connected to a hydrogen accumulator 4, in particular one of hydrogen in the gaseous state, intended to provide a “buffer” function between an upstream part of the hydrogen supply system A arranged in upstream of the hydrogen accumulator 4 and a downstream part of the hydrogen supply system A arranged downstream of the hydrogen accumulator 4.
  • the hydrogen accumulator 4 is connected to a metering member 5 intended to meter a mass flow of hydrogen, in particular gaseous hydrogen, at the inlet of the combustion chamber.
  • the metering member 5 can, for example, be a metering valve with variable section or a regulator coupled to a sonic neck.
  • the metering member 5 is connected to a cut-off member 6 intended to allow isolation between the hydrogen supply system A and the combustion chamber of the turbomachine.
  • the cutoff member 6 can, for example, be an “all or nothing” type cutoff valve.
  • the cutoff member 6 is connected to a supply line connected to the injectors 100 located in the combustion chamber of the turbomachine.
  • the injectors 100 and the combustion chamber are classic and are not detailed here.
  • the hydrogen supply system A also includes several sensors.
  • the hydrogen supply system A may include:
  • a hydrogen temperature sensor 7 in particular arranged upstream of the metering member 5, in particular between the hydrogen accumulator 4 and the metering member 5
  • a hydrogen pressure sensor 8 in particular arranged upstream of the metering member 5, in particular between the hydrogen accumulator 4 and the metering member 5;
  • a hydrogen flow sensor 9 advantageously located as close as possible to the injectors 100 of the turbomachine, in particular arranged downstream of the cut-off member 6.
  • the hydrogen flow sensor 9 is, for example, a mass flow meter or any other type of sensor making it possible to acquire information on the flow circulating in the hydrogen supply system A.
  • the hydrogen flow sensor 9 therefore makes it possible to measure a flow rate of hydrogen supplied to the injectors 100.
  • the dosing member 5 operates according to the principle of sonic dosing. In this case, if the relationship:
  • Pamont represents a hydrogen pressure upstream of the dosing member 5
  • Pavai represents a hydrogen pressure downstream of the dosing member 5
  • Y represents an adiabatic index of hydrogen, is verified, a flow rate downstream of the metering member 5 is given by a relation (1):
  • Q. represents a flow of hydrogen through the metering member 5,
  • Tamont represents a hydrogen temperature upstream of the metering member 5, and r represents the hydrogen gas constant.
  • the flow rate of hydrogen Q., dosed through the metering member 5 depends on the variation in the Tamont hydrogen temperature upstream of the metering member 5.
  • the Tamont hydrogen upstream of the dosing member 5 is considered as a disturbance and is not taken into account as a control parameter of the hydrogen supply system A.
  • the dosing member 5 can be produced according to two possibilities.
  • the dosing member 5 is a valve with variable section. According to this configuration, to meter a flow of hydrogen Q through the metering member 5, only the parameters linked to the section S of the metering member 5 and to the hydrogen pressure Pamont upstream of the member dosage 5 in relation (1) vary. So,
  • the section S of the metering member 5 varies according to a command applied to the variable section valve as metering member 5;
  • the hydrogen pressure upstream of the variable section valve as metering member 5 varies as a function of a command applied to the pressurizing member 2, for example by variation of a rotation speed of the pump(s) as pressurization member 2.
  • the dosing member 5 is a sonic neck with a regulator. According to this configuration, to meter a flow rate of hydrogen Q through the metering member 5, only the parameter linked to the hydrogen pressure Pamont upstream of the metering member 5 dances the relation (1) varies. Thus, the section S of the metering member 5 is fixed, since the sonic neck as metering member 5 has a fixed section S;
  • the regulator of the metering member 5 regulates a pressure difference APregulator, corresponding to a difference between a hydrogen pressure Paccu in the hydrogen accumulator 4 and the hydrogen pressure Pamont e upstream of the metering member dosage 5, in particular as a function of a command applied to the regulator;
  • the hydrogen pressure Paccu in the hydrogen accumulator 4, in particular corresponding to a pressure upstream of the regulator, varies depending on the control applied to the pressurization member 2, for example by variation of the rotation speed of the pump(s) as pressurization member 2.
  • the pressure difference APregulator P accumulator "P upstream represents a pressure loss regulated by the regulator of the dosing member 5.
  • the dosing member 5 operates according to the principle of subsonic dosing. In this case, if the relationship: 0.5
  • the dosing member 5 can be produced according to two possibilities.
  • the metering member 5 is a variable section valve. According to this configuration, to meter the flow of hydrogen Q through the metering member 5, only the parameters linked to the section S of the metering member 5, to the pressure of Pamont hydrogen upstream of the metering member 5 and at the Pavai hydrogen pressure downstream of the metering member 5 in a relationship (Ibis) vary. So,
  • the hydrogen pressure upstream of the variable section valve as metering member 5 varies as a function of the command applied to the pressurizing member 2, for example by variation in the rotation speed of the or pump(s) as pressurization member 2;
  • the hydrogen pressure P avai downstream of the variable section valve varies as a function of a change in the pressure in the combustion chamber Pcc, for example by variation in the rotation speed of the high pressure compressor.
  • the dosing member 5 is a subsonic neck with a regulator. According to this configuration, to meter a flow rate of hydrogen Q through the metering member 5, only the parameters Pamont and P avai of formula (Ibis) vary. So,
  • the regulator of the metering member 5 regulates a pressure difference APregulator corresponding to a difference between the hydrogen pressure P ac cu in the hydrogen accumulator 4 and the hydrogen pressure Pamont upstream of the member dosage 5, in particular depending on the control applied to the regulator;
  • the hydrogen pressure Paccu in the hydrogen accumulator 4 varies as a function of the command applied to the pressurization member 2, for example by variation of the rotation speed of the pump(s) as pressurization member 2;
  • AP regulator — P accumulator P upstream represents the pressure loss regulated by the regulator of the dosing member 5.
  • the hydrogen supply system A of the turbomachine comprises the upstream part of the hydrogen supply system A located upstream of the hydrogen accumulator 4 and a downstream part of the hydrogen supply system A located downstream of the hydrogen accumulator 4.
  • the upstream part of the hydrogen supply system A comprises the pressurization member 2 and the heating member 3, as a member for evaporating hydrogen, in particular liquid hydrogen.
  • the downstream part of the hydrogen supply system A comprises the dosing member 5 and the cutting member 6.
  • Figure 2 illustrates graphs presenting temporal evolutions of the hydrogen flow rate at the outlet of the hydrogen accumulator 4 of the hydrogen supply system A according to the invention.
  • the graphs in Figure 2 present the temporal evolutions of the hydrogen flow rate at the outlet of the hydrogen accumulator 4 injected into the combustion chamber of the turbomachine and of the hydrogen pressure upstream of the organ. dosage 5 of the hydrogen supply system A of the turbomachine in the case of a fixed flow rate at the inlet of the hydrogen accumulator 4, according to one embodiment of the invention.
  • the hydrogen accumulator 4 makes it possible to decouple the dynamics of the upstream part of the hydrogen supply system A from the downstream part of the hydrogen supply system A.
  • the upper part of Figure 2 represents an example of temporal evolution of the flow rate of hydrogen injected into the combustion chamber.
  • the lower part of Figure 2 represents a corresponding temporal evolution of the Pamont hydrogen pressure, upstream of the dosing member 5.
  • the flow rate of hydrogen injected into the combustion chamber is constant and is equal to the second value of hydrogen flow rate 2.
  • the hydrogen pressure Pamont is ut a first hydrogen pressure value Pamonti until the first instant ti then decreases to a second hydrogen pressure value P a mont2 lower than the first pressure value hydrogen Pamonti.
  • the hydrogen pressure upstream of the metering member 5 decreases with a certain inertia depending on the volume of the hydrogen accumulator 4.
  • Such inertia is all the more important as the volume of the hydrogen accumulator 4 is large.
  • the lower part of Figure 2 shows two curves of temporal evolution of the Pamont hydrogen pressure, upstream of the metering member 5.
  • the solid line curve is characteristic of the temporal evolution of the hydrogen pressure Upstream of the dosing member 5, in the case where the hydrogen accumulator 4 is of reduced volume.
  • the dotted line curve is characteristic of the temporal evolution of the hydrogen pressure upstream of the dosing member 5, in the case where the hydrogen accumulator 4 is of large volume.
  • the volume of the hydrogen accumulator 4 is chosen so that the dynamics of variation of the hydrogen pressure Pamont upstream of the dosing member is slower than the dynamics of the flow rate of hydrogen. hydrogen injected into the combustion chamber.
  • the volume of the hydrogen accumulator 4 is chosen so that the dynamics of variation of the Pamont hydrogen pressure is 5 to 10 times slower than the dynamics of the flow of hydrogen injected into the chamber. combustion.
  • the volume of the hydrogen accumulator 4 is chosen so that the pressure variation is slower, in particular 5 to 10 times slower, than the desired dynamics, that is to say a response time, of the dosing function of the flow of hydrogen injected into the combustion chamber.
  • Figure 3 schematically represents an embodiment of a regulation device B of the hydrogen supply system A of the turbomachine.
  • the regulation device B of the hydrogen supply system A comprises regulation loops making it possible to decouple the respective control logics of the upstream part and the downstream part of the hydrogen supply system A of the turbomachine.
  • a first regulation loop is a closed loop comprising a pressure sensor 15 capable of measuring the hydrogen pressure in the hydrogen accumulator 4.
  • a pressure sensor 15 can be the pressure sensor of hydrogen 8, in particular arranged upstream of the metering member 5, in particular between the hydrogen accumulator 4 and the metering member 5.
  • the pressure sensor 15, capable of measuring the hydrogen pressure in the hydrogen accumulator 4, is as close as possible to the hydrogen accumulator 4.
  • the pressure sensor 15 is connected to an input of a subtractor 20, in particular a first subtractor 20.
  • the subtractor 20 receives as input a value of the hydrogen pressure Paccu in the hydrogen accumulator 4 measured by the sensor pressure 15.
  • the subtractor 20 also receives as input a hydrogen pressure setpoint CPaccu in the hydrogen accumulator 4. A determination of the hydrogen pressure setpoint CPaccu in the hydrogen accumulator 4 will be described below .
  • the subtractor 20 calculates the difference between the value of the hydrogen pressure Paccu and the hydrogen pressure set value CPaccu received. This difference represents an ePaccu hydrogen pressure error in hydrogen accumulator 4.
  • the subtractor 20 is connected to an input of a first regulator 21, such as a pressure regulator, and supplies it with the difference between the hydrogen pressure Paccu and the hydrogen pressure setpoint CPacc in the gas accumulator.
  • a first regulator 21 such as a pressure regulator
  • hydrogen 4 i.e. the ePaccu hydrogen pressure error in the hydrogen accumulator 4.
  • the first regulator 21 controls the pressurization member 2 as a function of the hydrogen pressure error ePaccu in the hydrogen accumulator 4.
  • the first regulator 21 is, for example, a PID type corrector, acronym for "Proportional, Integral, Derivative", intended to be configured to make the ePaccu pressure error minimal, advantageously zero, by means of controlling the pressurization member 2.
  • the first regulator 21 controls the hydrogen pressure Paccu in the hydrogen accumulator 4.
  • a second regulation loop is a closed loop comprising the hydrogen flow sensor 9.
  • the hydrogen flow sensor 9 is connected to an input of a subtractor 30, in particular a second subtractor 30.
  • the subtractor 30 receives as input a value of the hydrogen flow rate supplied to the injectors 100, measured by the flow sensor hydrogen 9.
  • the subtractor 30 also receives as input a set value of hydrogen flow CQ to be injected into the combustion chamber.
  • the CQ hydrogen flow setpoint. is provided by a motor control device 40.
  • the subtractor 30 calculates the difference between the value of the hydrogen flow rate supplied to the injectors 100 and the set value of the CQ hydrogen flow rate received. This difference represents an error in the flow rate of hydrogen eQ injected into the combustion chamber.
  • the subtractor 30 is connected to an input of a second regulator 31, such as a flow regulator, and provides it with the difference between the flow rate of hydrogen injected into the combustion chamber and the hydrogen flow setpoint CQ in the combustion chamber, that is to say the error in the flow rate of hydrogen eQ injected into the combustion chamber.
  • a second regulator 31 such as a flow regulator
  • the second regulator 31 controls the operation of the dosing member 5 as a function of the error in the flow rate of hydrogen eQ injected into the combustion chamber.
  • the second regulator 31 is for example a PID type corrector intended to be configured to make the flow rate error eQ minimal, advantageously zero, by means of controlling the dosing member 5.
  • gains of the second regulator 31 are determined as a function of the pressure and temperature measurements in the hydrogen accumulator 4, provided by the hydrogen temperature sensor 7 and the pressure sensor hydrogen 8.
  • the hydrogen pressure downstream of the dosing member 5 is measured by a pressure measuring sensor, in particular by the hydrogen pressure sensor 8, and taken into account in the determination of the gains of the second regulator 31.
  • the temperature is not taken into account in determining the gains of the second regulator 31.
  • the second regulator 31 thus controls the dosing member 5 by controlling the flow of hydrogen injected into the combustion chamber.
  • the engine control device 40 of the turbomachine is connected to the subtractor 30 and provides it with the hydrogen flow setpoint value CQ. to be injected into the combustion chamber.
  • the engine control device 40 of the turbomachine is also connected to a pressure setpoint development circuit 50 capable of determining the hydrogen pressure CAccu in the hydrogen accumulator 4 and provides it with engine data.
  • Figure 4 illustrates an embodiment of the pressure setpoint development circuit 50 of the hydrogen pressure CAccu in the hydrogen accumulator 4 of the hydrogen supply system A according to the invention.
  • the pressure setpoint development circuit 50 of the hydrogen pressure setpoint CAccu in the hydrogen accumulator 4 is integrated into the regulation device B of the hydrogen supply system Has turbomachinery.
  • the pressure setpoint development circuit 50 comprises an input connected to the engine control device 40 of the turbomachine and an output connected to the first subtractor 20 intended to calculate the difference between the value of the hydrogen pressure P ac cu and the CPaccu hydrogen pressure setpoint.
  • the pressure setpoint development circuit 50 comprises a downstream pressure development module 51, capable of determining the hydrogen pressure P avai downstream of the dosing member 5, as will be described subsequently.
  • the downstream pressure development module 51 receives the hydrogen flow value Q injected into the combustion chamber and a hydrogen pressure value PS3 in the combustion chamber of the engine, which are transmitted from the engine control device 40.
  • the hydrogen pressure P avai is then equal to the hydrogen pressure value PS3 added to the pressure losses APinjecteur of the injectors 100
  • the pressure of hydrogen P avai is determined from the hydrogen pressure PS3 in the combustion chamber by a relation (2):
  • the measurement of the hydrogen flow rate Q. through the dosing member 5 can be replaced by a flow setpoint developed by the motor control device 40.
  • the downstream pressure development module 51 has an output connected to an input of a stabilized setpoint development module 52 capable of determining a stabilized hydrogen pressure setpoint CPaccustab in the hydrogen accumulator 4.
  • downstream pressure development module 51 provides the hydrogen pressure value P ava i. to the stabilized setpoint development module 52.
  • the hydrogen pressure P acC u in the hydrogen accumulator 4 corresponds to the hydrogen pressure Pamont upstream of the dosing member 5.
  • the pressure of hydrogen Paccu in the hydrogen accumulator 4 is approximately at least twice greater than the hydrogen pressure P avai downstream of the metering member 5.
  • the stabilized hydrogen pressure setpoint CPaccustab in the hydrogen accumulator 4 must respect a relationship (3 bis):
  • the dosing carried out by the dosing member 5 is sonic or subsonic, depending on the speed of the engine and/or the turbomachine.
  • the dosage is sonic.
  • the dosage is subsonic.
  • the transition from a sonic to subsonic dosing mode and vice versa is managed via the hydrogen pressure pressure setpoint CP acC u regulated so as to have the ratio between the hydrogen pressure P avai downstream of the control unit.
  • dosage 5 and the hydrogen pressure P am have, upstream of the dosage member 5 so that in sonic dosage: go eur for y rog ne .
  • Such a variant makes it possible to: - reduce the need for pressure gradients requested from the pressurization member 2, by the first regulator 21, to follow the stabilized hydrogen pressure setpoint CPaccustab in transient mode;
  • the downstream pressure development module 52 has an output connected to an input of a phase advance determination module 53 capable of defining compensation for a response time of the first regulator 21 in transient mode.
  • the development module downstream pressure 52 supplies the stabilized hydrogen pressure set point CPaccustab in the hydrogen accumulator 4 to the phase advance determination module 53.
  • the first regulator 21 has a response time T21.
  • Figure 5 illustrates graphs representing a temporal evolution of the hydrogen pressure setpoint CPaccu in the hydrogen accumulator 4 of the hydrogen supply system A, in particular during a change of regime.
  • the change in regime is characterized by a modification of the hydrogen pressure setpoint CPaccu in the hydrogen accumulator 4 going from a first value Pi, corresponding to a first established regime, to a second value P2, in the example presented greater than the first value Pi, corresponding to a second established regime.
  • the transition from the first value Pi of the hydrogen pressure setpoint CP aC cu to the second value P2 is carried out between a first instant tio and a second instant t2o delimiting a period of transitional regime between the first established regime, ending at first instant tio, and second regime established, starting at the second instant t2o.
  • the hydrogen pressure setpoint CAccu in the hydrogen accumulator 4 increases from the first value Pi to a maximum value P max greater than the second value P2 then decreases to the second value P2.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation (B) d'un système 5 d'alimentation en hydrogène (A) d'une turbomachine comprenant une chambre de combustion, le système d'alimentation en hydrogène comportant, notamment agencés en série, au moins : - un organe de pressurisation (2), et - un organe de dosage (5) avantageusement relié à la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - un accumulateur d'hydrogène (4) agencé entre l'organe de pressurisation (2) et l'organe de dosage(5), - un premier régulateur (21) apte à commander l'organe de pressurisation (2) en fonction d'une pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène (4) et d'une consigne de pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène (4), et - un deuxième régulateur (31) apte à commander l'organe de dosage (5) en fonction d'un débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion et d'une consigne de débit d'hydrogène (CQ) à injecter dans la chambre de combustion.

Description

SYSTEME D'ALIMENTATION EN HYDROGENE D'UNE TURBOMACHINE ET DISPOSITIF DE REGULATION D'UN TEL SYSTEME D'ALIMENTATION EN HYDROGENE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne, de manière générale, un système d'alimentation en hydrogène d'une turbomachine, telle qu'un moteur pour aéronef, utilisant de l'hydrogène comme carburant. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de régulation d'un système d'alimentation en hydrogène d'une telle turbomachine.
ETAT DE L'ART ANTERIEUR
Un système d'alimentation en hydrogène d'une turbomachine, plus particulièrement d'un moteur pour aéronef, a pour fonction de fournir un débit maîtrisé d'hydrogène aux injecteurs situés dans une chambre de combustion de la turbomachine.
Le système d'alimentation en hydrogène de la turbomachine comporte en série, selon un sens de circulation de l'hydrogène, de l'amont vers l'aval :
- un réservoir d'hydrogène liquide,
- un organe de pressurisation de l'hydrogène liquide,
- un organe de réchauffage destiné à monter l'hydrogène liquide en température de manière à permettre son évaporation en hydrogène gazeux,
- un organe de dosage destiné à doser le débit massique de l'hydrogène gazeux en entrée de la chambre de combustion, et
- une vanne de coupure.
La vanne de coupure est reliée à une conduite d'alimentation qui est reliée aux injecteurs de la turbomachine.
Pour doser finement le débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion de la turbomachine, il faut déterminer des lois de régulation du système d'alimentation en hydrogène de la turbomachine. Il s'agit d'un système de type « entrées multiples, sortie unique », également dénommé par l'acronyme MISO pour « Multiple Inputs, Single Output) en anglais. De plus, les lois de régulation du système doivent notamment prendre en compte les contraintes liées à une nécessité de garantir un haut niveau de performance du dosage en termes de temps de réponse, précision et robustesse, tout en limitant le besoin de puissance à fournir par l'organe de pressurisation.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant un dispositif de régulation d'un système d'alimentation en hydrogène d'une turbomachine comprenant une chambre de combustion, le système d'alimentation en hydrogène comportant, notamment agencés en série, au moins :
- un organe de pressurisation, et
- un organe de dosage avantageusement relié à la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comporte en outre
- un accumulateur d'hydrogène agencé entre l'organe de pressurisation et l'organe de dosage,
- un premier régulateur apte à commander l'organe de pressurisation en fonction d'une pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène et d'une consigne de pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène, et
- un deuxième régulateur apte à commander l'organe de dosage en fonction d'un débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion et d'une consigne de débit d'hydrogène à injecter dans la chambre de combustion.
L'accumulateur d'hydrogène permet de découpler les dynamiques de la partie amont du système d'alimentation en hydrogène de la partie aval du système d'alimentation en hydrogène.
Il est alors possible de découpler les logiques de contrôle respectives de la partie amont et de la partie aval du système d'alimentation en hydrogène de la turbomachine.
Selon une caractéristique préférée, le premier régulateur commande le fonctionnement de l'organe de pressurisation en fonction d'une différence entre la pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène et la consigne de pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène.
Selon une caractéristique préférée, le deuxième régulateur commande le fonctionnement de l'organe de dosage en fonction d'une différence entre le débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion et la consigne de débit d'hydrogène à injecter dans la chambre de combustion.
Selon une caractéristique préférée, le dispositif de régulation comporte en outre un circuit d'élaboration de consigne de pression apte à déterminer la consigne de pression d'hydrogène.
Selon une caractéristique préférée, le circuit d'élaboration de consigne de pression comprend une entrée reliée à un dispositif de contrôle-moteur de la turbomachine et une sortie reliée à un premier soustracteur destiné à calculer la différence entre la valeur de la pression d'hydrogène et la consigne de pression d'hydrogène.
Selon une caractéristique préférée, le circuit d'élaboration de consigne de pression comprend un module d'élaboration de pression aval apte à déterminer une pression d'hydrogène en aval de l'organe de dosage.
Selon une caractéristique préférée, le module d'élaboration de pression aval détermine la pression d'hydrogène en aval de l'organe de dosage à partir de la valeur de débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion et d'une valeur de pression d'hydrogène dans la chambre de combustion.
Selon une caractéristique préférée, le circuit d'élaboration de consigne de pression comprend un module d'élaboration de consigne stabilisée apte à déterminer une consigne stabilisée de pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène.
Selon une caractéristique préférée, le circuit d'élaboration de consigne de pression comprend un module de détermination d'avance de phase apte à définir une compensation d'un temps de réponse du premier régulateur en régime transitoire.
Selon une caractéristique préférée, l'organe de dosage assure un dosage sonique et/ou subsonique, en fonction de la consigne de pression de pression d'hydrogène. L'invention concerne aussi un système d'alimentation en hydrogène d'une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de régulation tel que précédemment présenté.
L'invention concerne aussi une turbomachine comportant des injecteurs, caractérisée en ce qu'elle comporte un système d'alimentation en hydrogène tel que précédemment présenté.
L'invention concerne aussi un aéronef comportant une turbomachine telle que précédemment présentée.
Le système d'alimentation en hydrogène d'une turbomachine, la turbomachine et l'aéronef présentent des avantages analogues à ceux précédemment présentés.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles :
La figure 1 illustre schématiquement un système d'alimentation en hydrogène d'une turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 illustre des graphiques présentant des évolutions temporelles d'un débit d'hydrogène en sortie d'un accumulateur d'hydrogène du système d'alimentation en hydrogène selon l'invention.
La figure 3 illustre schématiquement un dispositif de régulation du système d'alimentation en hydrogène de la turbomachine, selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 illustre un circuit d'élaboration de consigne de pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène du système d'alimentation en hydrogène selon l'invention et,
La figure 5 illustre des graphiques présentant une évolution temporelle d'une consigne de pression d'hydrogène en sortie d'accumulateur d'hydrogène du système d'alimentation en hydrogène, selon un mode de réalisation de l'invention. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont nécessairement pas selon une échelle uniforme afin de rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSE DETAILLE DES MODES DE REALISATION
La figure 1 présente schématiquement un mode de réalisation de l'invention d'un système d'alimentation en hydrogène A d'une turbomachine apte à fournir un débit maîtrisé d'hydrogène à des injecteurs 100 situés dans une chambre de combustion de la turbomachine.
Plus spécifiquement, le système d'alimentation en hydrogène A comporte, selon un sens de circulation de l'hydrogène, de l'amont vers l'aval, un réservoir d'hydrogène 1, notamment dans lequel l'hydrogène est dans un état liquide cryogénique, en particulier à basse pression, par exemple d'un ordre de grandeur compris entre 2 bar et 3 bar, et à faible température, par exemple d'un ordre de grandeur de 10K.
Le réservoir d'hydrogène 1 est relié à un organe de pressurisation 2 destiné à monter l'hydrogène, notamment l'hydrogène liquide, en pression. La montée en pression de l'hydrogène est effectuée de manière à maintenir une pression d'hydrogène à l'injection supérieure à une pression de la chambre de combustion Pcc de la turbomachine.
A un débit d'hydrogène injecté donné, la différence entre la pression en sortie de l'organe de pressurisation 2 et la pression dans la chambre de combustion Pcc doit donc être supérieure à la somme des pertes de charges des différents équipements du système d'alimentation en hydrogène A.
L'organe de pressurisation 2 peut, par exemple, être une pompe, notamment une pompe centrifuge, ou plusieurs pompes, notamment plusieurs pompes centrifuges, en série. L'organe de pressurisation 2 est relié à un organe de réchauffage 3, destiné à monter l'hydrogène, notamment l'hydrogène liquide, en température. Une telle montée en température permet d'assurer une évaporation de l'hydrogène entrant dans l'organe de réchauffage 3 en hydrogène gazeux, tout en maîtrisant une gamme de températures admissibles pour la combustion de l'hydrogène.
L'organe de réchauffage 3 peut, par exemple, être un échangeur électrique ou un échangeur avec un autre fluide chauffé.
L'organe de réchauffage 3 est relié à un accumulateur d'hydrogène 4, notamment un d'hydrogène à l'état gazeux, destiné à assurer une fonction de « tampon » entre une partie amont du système d'alimentation en hydrogène A agencée en amont de l'accumulateur d'hydrogène 4 et une partie aval du système d'alimentation en hydrogène A agencée en aval de l'accumulateur d'hydrogène 4.
L'accumulateur d'hydrogène 4 est relié à un organe de dosage 5 destiné à doser un débit massique d'hydrogène, notamment d'hydrogène gazeux, en entrée de la chambre de combustion.
L'organe de dosage 5 peut, par exemple, être une vanne de dosage à section variable ou un détendeur couplé à un col sonique.
L'organe de dosage 5 est relié à un organe de coupure 6 destiné à permettre un isolement entre le système d'alimentation en hydrogène A et la chambre de combustion de la turbomachine.
L'organe de coupure 6 peut, par exemple, être une vanne de coupure de type « tout ou rien ».
L'organe de coupure 6 est relié à une conduite d'alimentation reliée aux injecteurs 100 situés dans la chambre de combustion de la turbomachine. Les injecteurs 100 et la chambre de combustion sont classiques et ne sont pas détaillés ici.
Le système d'alimentation en hydrogène A comporte, en outre, plusieurs capteurs. En particulier, le système d'alimentation en hydrogène A peut comporter :
- un capteur de température d'hydrogène 7, notamment agencé en amont de l'organe de dosage 5, en particulier entre l'accumulateur d'hydrogène 4 et l'organe de dosage 5 ; - un capteur de pression d'hydrogène 8, notamment agencé en amont de l'organe de dosage 5, en particulier entre l'accumulateur d'hydrogène 4 et l'organe de dosage 5 ; et/ou
- un capteur de débit d'hydrogène 9, avantageusement situé au plus près des injecteurs 100 de la turbomachine, notamment agencé en aval de l'organe de coupure 6.
Le capteur de débit d'hydrogène 9 est, par exemple, un débitmètre massique ou tout autre type de capteur permettant d'acquérir l'information du débit circulant dans le système d'alimentation en hydrogène A.
Le capteur de débit d'hydrogène 9 permet donc de mesurer un débit d'hydrogène fourni aux injecteurs 100.
Selon une première variante, l'organe de dosage 5 fonctionne selon le principe d'un dosage sonique. Dans ce cas, si la relation :
0,5
Figure imgf000009_0001
(valeur pour l'hydrogène) où
Pamont représente une pression d'hydrogène en amont de l'organe de dosage 5,
Pavai représente une pression d'hydrogène en aval de l'organe de dosage 5,
Y représente un indice adiabatique de l'hydrogène, est vérifiée, un débit en aval de l'organe de dosage 5 est donné par une relation (1) :
Figure imgf000009_0002
Q. représente un débit d'hydrogène à travers l'organe de dosage 5,
S représente une section de l'organe de dosage 5,
Tamont représente une température d'hydrogène en amont de l'organe de dosage 5, et r représente la constante du gaz de l'hydrogène.
D'après la relation (1), le débit d'hydrogène Q., dosé à travers l'organe de dosage 5 dépend de la variation de la température d'hydrogène Tamont en amont de l'organe de dosage 5.
Cependant, en raison de la dynamique lente de variation de la température, notamment d'un ordre de grandeur de plusieurs secondes, et d'un impact faible, à savoir en racine carrée comme l'expose la relation (1), la température d'hydrogène Tamont en amont de l'organe de dosage 5 est considérée comme une perturbation et n'est pas prise en compte comme un paramètre de contrôle du système d'alimentation en hydrogène A.
Plus particulièrement, l'organe de dosage 5 peut être réalisé selon deux possibilités.
Selon une première possibilité, l'organe de dosage 5 est une vanne à section variable. Selon cette configuration, pour doser un débit d'hydrogène Q à travers l'organe de dosage 5, seuls les paramètres liés à la section S de l'organe de dosage 5 et à la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5 dans la relation (1) varient. Ainsi,
- La section S de l'organe de dosage 5 varie en fonction d'une commande appliquée à la vanne à section variable en tant qu'organe de dosage 5 ; et
- La pression d'hydrogène Pamont en amont de la vanne à section variable en tant qu'organe de dosage 5 varie en fonction d'une commande appliquée à l'organe de pressurisation 2, par exemple par variation d'une vitesse de rotation de la ou des pompe(s) en tant qu'organe de pressurisation 2.
Selon une deuxième possibilité, l'organe de dosage 5 est un col sonique avec détendeur. Selon cette configuration, pour doser un débit d'hydrogène Q à travers l'organe de dosage 5, seul le paramètre lié à la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5 danse la relation (1) varie. Ainsi, la section S de l'organe de dosage 5 est fixe, puisque le col sonique en tant qu'organe de dosage 5 est de section S fixe ;
- Le détendeur de l'organe de dosage 5 régule une différence de pression APdétendeur, correspondant à une différence entre une pression d'hydrogène Paccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 et la pression d'hydrogène Pamont e amont de l'organe de dosage 5, notamment en fonction d'une commande appliquée au détendeur ; et
- La pression d'hydrogène Paccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4, notamment correspondant à une pression en amont du détendeur, varie en fonction de la commande appliquée à l'organe de pressurisation 2, par exemple parvariation de la vitesse de rotation de la ou des pompe(s) en tant qu'organe de pressurisation 2.
Ainsi, la différence de pression APdétendeur = P accu " P amont représente une perte de charge régulée par le détendeur de l'organe de dosage 5.
Selon une deuxième variante, l'organe de dosage 5 fonctionne selon le principe d'un dosage subsonique. Dans ce cas, si la relation : 0,5
Figure imgf000011_0001
(valeur pour l'hydrogène) est vérifiée, le débit en aval de l'organe de dosage 5 est donné par une relation (Ibis):
Figure imgf000011_0002
Plus particulièrement, de façon analogue à ce qui a été décrit précédemment, l'organe de dosage 5 peut être réalisé selon deux possibilités.
Selon la première possibilité, l'organe de dosage 5 est une vanne à section variable. Selon cette configuration, pour doser le débit d'hydrogène Q à travers l'organe de dosage 5, seuls les paramètres liés à la section S de l'organe de dosage 5, à la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5 et à la pression d'hydrogène Pavai en aval de l'organe de dosage 5 dans une relation (Ibis) varient. Ainsi,
- la section S de l'organe de dosage 5 varie en fonction de la commande appliquée à la vanne à section variable en tant qu'organe de dosage 5 ;
- la pression d'hydrogène Pamont en amont de la vanne à section variable en tant qu'organe de dosage 5 varie en fonction de la commande appliquée à l'organe de pressurisation 2, par exemple par variation de la vitesse de rotation de la ou des pompe(s) en tant qu'organe de pressurisation 2 ; et
- la pression d'hydrogène Pavai en aval de la vanne à section variable varie en fonction d'une évolution de la pression dans la chambre de combustion Pcc, par exemple par variation de la vitesse de rotation du compresseur haute pression.
Selon une deuxième possibilité, l'organe de dosage 5 est un col subsonique avec détendeur. Selon cette configuration, pour doser un débit d'hydrogène Q à travers l'organe de dosage 5, seuls les paramètres Pamont et Pavai de la formule (Ibis) varient. Ainsi,
- la section S de l'organe de dosage 5 est fixe, puisque le col subsonique en tant qu'organe de dosage 5 est de section S fixe ;
- le détendeur de l'organe de dosage 5 régule une différence de pression APdétendeur correspondant à une différence entre la pression d'hydrogène Paccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 et la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5, notamment en fonction de la commande appliquée au détendeur ;
- la pression d'hydrogène Paccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 varie en fonction de la commande appliquée à l'organe de pressurisation 2, par exemple par variation de la vitesse de rotation de la ou des pompe(s) en tant qu'organe de pressurisation 2 ; et
- la pression d'hydrogène Pavai en aval de la section fixe en tant qu'organe de dosage 5 varie en fonction de l'évolution de la pression dans la chambre de combustion Pcc, par exemple par variation d'une vitesse de rotation d'un compresseur haute pression de la turbomachine. Ainsi, AP détendeur — P accu P amont représente la perte de charge régulée par le détendeur de l'organe de dosage 5.
Le système d'alimentation en hydrogène A de la turbomachine comporte la partie amont du système d'alimentation en hydrogène A située en amont de l'accumulateur d'hydrogène 4 et une partie aval du système d'alimentation en hydrogène A située en aval de l'accumulateur d'hydrogène 4.
La partie amont du système d'alimentation en hydrogène A comporte l'organe de pressurisation 2 et l'organe de réchauffage 3, en tant qu'organe d'évaporation de l'hydrogène, notamment l'hydrogène liquide.
La partie aval du système d'alimentation en hydrogène A comporte l'organe de dosage 5 et l'organe de coupure 6.
La figure 2 illustre des graphiques présentant des évolutions temporelles du débit d'hydrogène en sortie de l'accumulateur d'hydrogène 4 du système d'alimentation en hydrogène A selon l'invention.
Plus spécifiquement, les graphiques de La figure 2 présentent les évolutions temporelles du débit d'hydrogène en sortie de l'accumulateur d'hydrogène 4 injecté dans la chambre de combustion de la turbomachine et de la pression d'hydrogène en amont de l'organe de dosage 5 du système d'alimentation en hydrogène A de la turbomachine dans le cas d'un débit fixe en entrée de l'accumulateur d'hydrogène 4, selon un mode de réalisation de l'invention.
Notamment, l'accumulateur d'hydrogène 4 permet de découpler les dynamiques de la partie amont du système d'alimentation en hydrogène A de la partie aval du système d'alimentation en hydrogène A.
La partie supérieure de la figure 2 représente un exemple d'évolution temporelle du débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion. La partie inférieure de la figure 2 représente une évolution temporelle correspondante de la pression d'hydrogène Pamont, en amont de l'organe de dosage 5.
Il est supposé que le débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion est constant. Dans un premier temps, le débit d'hydrogène injecté vaut une première valeur débit d'hydrogène Qi constante jusqu'à un premier instant ti puis augmente jusqu'à une deuxième valeur de débit d'hydrogène 2 supérieure à la première valeur de débit d'hydrogène i-
A partir d'un deuxième instant t2 postérieur au premier instant ti, le débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion est constant et vaut la deuxième valeur de débit d'hydrogène 2.
Il est également supposé que la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5 est constante.
Dans un premiertemps, la pression d'hydrogène Pamont va ut une première valeur de pression d'hydrogène Pamonti jusqu'au premier instant ti puis diminue jusqu'à une deuxième valeur de pression d'hydrogène Pamont2 inférieure à la première valeur de pression d'hydrogène Pamonti.
A partir d'un troisième instant ts postérieur au premier instant ti et au deuxième instant t2, la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5 est constante et vaut la deuxième valeur de pression d'hydrogène Pamont2.
Ainsi, suite à une augmentation du débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion, la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5 diminue avec une certaine inertie dépendant du volume de l'accumulateur d'hydrogène 4. Une telle inertie est d'autant plus importante que le volume de l'accumulateur d'hydrogène 4 est grand.
De manière réciproque, si le débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion diminue, la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5 augmente avec la même inertie.
La partie inférieure de la figure 2 montre deux courbes d'évolution temporelle de la pression d'hydrogène Pamont, en amont de l'organe de dosage 5. La courbe en trait plein est caractéristique de l'évolution temporelle de la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5, dans le cas où l'accumulateur d'hydrogène 4 est de volume réduit. La courbe en traits pointillés est caractéristique de l'évolution temporelle de la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5, dans le cas où l'accumulateur d'hydrogène 4 est de volume important.
Par exemple, le volume de l'accumulateur d'hydrogène 4 est choisi de façon à ce que la dynamique de variation de la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage, soit plus lente que la dynamique du débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion. En particulier, le volume de l'accumulateur d'hydrogène 4 est choisi de façon à ce que la dynamique de variation de la pression d'hydrogène Pamont soit 5 à 10 fois plus lente que la dynamique du débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion.
Ainsi, le volume de l'accumulateur d'hydrogène 4 est choisi de sorte que la variation de pression soit plus lente, notamment 5 à 10 fois plus lente, que la dynamique désirée, c'est-à-dire un temps de réponse, de la fonction de dosage du débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion.
Il est alors possible de découpler les logiques de contrôle respectives de la partie amont et de la partie aval du système d'alimentation en hydrogène A de la turbomachine, comme cela va être décrit dans la suite.
La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif de régulation B du système d'alimentation en hydrogène A de la turbomachine.
Le dispositif de régulation B du système d'alimentation en hydrogène A comporte des boucles de régulation permettant de découpler les logiques de contrôle respectives de la partie amont et de la partie aval du système d'alimentation en hydrogène A de la turbomachine.
A cet effet, une première boucle de régulation est une boucle fermée comportant un capteur de pression 15 apte à mesurer la pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène 4. Un tel capteur de pression 15 peut être le capteur de pression d'hydrogène 8, notamment agencé en amont de l'organe de dosage 5, en particulier entre l'accumulateur d'hydrogène 4 l'organe de dosage 5.
Toutefois, il est primordial que le capteur de pression 15, apte à mesurer la pression d'hydrogène dans l'accumulateur d'hydrogène 4, soit au plus proche de l'accumulateur d'hydrogène 4. Le capteur de pression 15 est relié à une entrée d'un soustracteur 20, en particulier un premier soustracteur 20. Le soustracteur 20 reçoit en entrée une valeur de la pression d'hydrogène Paccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 mesurée par le capteur de pression 15.
Le soustracteur 20 reçoit également en entrée une valeur de consigne de pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4. Une détermination de la consigne de pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 sera décrite dans la suite.
Le soustracteur 20 calcule la différence entre la valeur de la pression d'hydrogène Paccu et la valeur de consigne de pression d'hydrogène CPaccu reçues. Cette différence représente une erreur de pression d'hydrogène ePaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4.
Le soustracteur 20 est relié à une entrée d'un premier régulateur 21, tel qu'un régulateur de pression, et lui fournit la différence entre la pression d'hydrogène Paccu et la consigne de pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4, c'est-à- dire l'erreur de pression d'hydrogène ePaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4.
Le premier régulateur 21 commande l'organe de pressurisation 2 en fonction de l'erreur de pression d'hydrogène ePaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4.
Le premier régulateur 21 est, par exemple, un correcteur de type PID, acronyme pour « Proportionnel, Intégral, Dérivé », destiné à être configuré pour rendre l'erreur en pression ePaccu minimale, avantageusement nulle, par le biais de la commande de l'organe de pressurisation 2.
Dans une telle configuration, le premier régulateur 21 asservit la pression d'hydrogène Paccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4.
Une deuxième boucle de régulation est une boucle fermée comportant le capteur de débit d'hydrogène 9.
Le capteur de débit d'hydrogène 9 est relié à une entrée d'un soustracteur 30, en particulier un deuxième soustracteur 30. Le soustracteur 30 reçoit en entrée une valeur du débit d'hydrogène fourni aux injecteurs 100, mesurée par le capteur de débit d'hydrogène 9. Le soustracteur 30 reçoit également en entrée une valeur de consigne de débit d'hydrogène CQ à injecter dans la chambre de combustion. La valeur de consigne de débit d'hydrogène CQ. est fournie par un dispositif de contrôle moteur 40.
Le soustracteur 30 calcule la différence entre la valeur du débit d'hydrogène fourni aux injecteurs 100 et la valeur de consigne de débit d'hydrogène CQ reçu. Cette différence représente une erreur de débit d'hydrogène eQ injecté dans la chambre de combustion.
Le soustracteur 30 est relié à une entrée d'un deuxième régulateur 31, tel qu'un régulateur de débit, et lui fournit la différence entre le débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion et la consigne de débit d'hydrogène CQ dans la chambre de combustion, c'est-à-dire l'erreur de débit d'hydrogène eQ injecté dans la chambre de combustion.
Le deuxième régulateur 31 commande le fonctionnement de l'organe de dosage 5 en fonction de l'erreur de débit d'hydrogène eQ injecté dans la chambre de combustion.
Le deuxième régulateur 31 est par exemple un correcteur de type PID destiné à être configuré pour rendre l'erreur de débit eQ minimale, avantageusement nulle, par le biais de la commande de l'organe de dosage 5.
Dans le cas d'un dosage sonique, des gains du deuxième régulateur 31 sont déterminés en fonction des mesures de pression et de température dans l'accumulateur d'hydrogène 4, fournies par le capteur de température d'hydrogène 7 et le capteur de pression d'hydrogène 8.
Dans le cas d'un dosage subsonique, la pression d'hydrogène en aval de l'organe de dosage 5 est mesurée par un capteur de mesure de pression, notamment par le capteur de pression d'hydrogène 8, et prise en compte dans la détermination des gains du deuxième régulateur 31.
En variante, la température n'est pas prise en compte dans la détermination des gains du deuxième régulateur 31.
Le deuxième régulateur 31 commande ainsi l'organe de dosage 5 en asservissant le débit d'hydrogène injecté dans la chambre de combustion. Tel qu'exposé précédemment, le dispositif de contrôle moteur 40 de la turbomachine est relié au soustracteur 30 et lui fournit la valeur de consigne de débit d'hydrogène CQ. à injecter dans la chambre de combustion.
Le dispositif de contrôle moteur 40 de la turbomachine est également relié à un circuit d'élaboration de consigne de pression 50 apte à déterminer la pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 et lui fournit des données moteur.
La figure 4 illustre un mode de réalisation du circuit d'élaboration de consigne de pression 50 de la pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 du système d'alimentation en hydrogène A selon l'invention.
Plus particulièrement, tel qu'exposé précédemment, le circuit d'élaboration de consigne de pression 50 de la consigne de pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 est intégré au dispositif de régulation B du système d'alimentation en hydrogène A de la turbomachine.
Le circuit d'élaboration de consigne de pression 50 comprend une entrée reliée au dispositif de contrôle moteur 40 de la turbomachine et une sortie reliée au premier soustracteur 20 destiné à calculer la différence entre la valeur de la pression d'hydrogène Paccu et la valeur de consigne de pression d'hydrogène CPaccu.
Le circuit d'élaboration de consigne de pression 50 comporte un module d'élaboration de pression aval 51, apte à déterminer la pression d'hydrogène Pavai en aval de l'organe de dosage 5, tel que cela sera décrit par la suite.
A cet effet, le module d'élaboration de pression aval 51 reçoit la valeur de débit d'hydrogène Q injecté dans la chambre de combustion et une valeur de pression d'hydrogène PS3 dans la chambre de combustion du moteur, qui sont transmises depuis le dispositif de contrôle moteur 40.
En prenant en compte une spécification la plus défavorable des pertes de charge APinjecteur des injecteurs 100, la pression d'hydrogène Pavai est alors égale à la valeur de pression d'hydrogène PS3 additionnée des pertes de charge APinjecteur des injecteurs 100 Ainsi, la pression d'hydrogène Pavai est déterminée à partir de la pression d'hydrogène PS3 dans la chambre de combustion par une relation (2) :
P aval = PS3 + AP injecteurs = PS3 + f(Q.) (2) Il est à noter que dans le cas où d'autres équipements du système d'alimentation en hydrogène A, tel que l'organe de coupure 6, sont situés entre l'organe de dosage 5 et les injecteurs 100, une spécification la plus défavorable des pertes de charge de ces équipements peut aussi être prise en compte dans la détermination de la pression d'hydrogène Pavai.
Alternativement, la mesure du débit d'hydrogène Q. à travers l'organe de dosage 5 peut être remplacée par une consigne de débit élaborée par le dispositif de contrôle-moteur 40.
Le module d'élaboration de pression aval 51 a une sortie reliée à une entrée d'un module d'élaboration de consigne stabilisée 52 apte à déterminer une consigne stabilisée de pression d'hydrogène CPaccustab dans l'accumulateur d'hydrogène 4.
A cet effet, tel que détaillé précédemment, le module d'élaboration de pression aval 51 fournit la valeur de pression d'hydrogène Pavai. au module d'élaboration de consigne stabilisée 52.
Pour garantir le dosage sonique, en régime stabilisé, la pression d'hydrogène PacCu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 correspond à la pression d'hydrogène Pamont en amont de l'organe de dosage 5. Avantageusement, la pression d'hydrogène Paccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 est environ au moins deux fois supérieure à la pression d'hydrogène Pavai en aval de l'organe de dosage 5.
Dans un tel cas de dosage sonique, en régime stabilisé, la consigne stabilisée de pression d'hydrogène CPaccustab dans l'accumulateur d'hydrogène 4 doit respecter une relation (3) :
CP accustab 2 x P aval, Soit
CPaccustab > 2 X (PS3 + /(Q)) (3)
Dans le cas d'un dosage subsonique, en régime stabilisé, la consigne stabilisée de pression d'hydrogène CPaccustab dans l'accumulateur d'hydrogène 4 doit respecter une relation (3 bis) :
CP accustab — P aval, Soit CP accustab — PS3 + f(Q) (3bis)
Un dosage subsonique permet de :
- réduire des besoins en gradients de pression demandés à l'organe de pressurisation 2, par le premier régulateur 21, pour suivre la consigne stabilisée de pression d'hydrogène CPaCcustab en régime transitoire ; et
- réduire des besoins en pression en régime stabilisé induisant une optimisation du dimensionnement des équipements de l'organe de pressurisation 2. Il est ainsi possible de réduire les contraintes en pression sur le dimensionnement des équipements entre l'organe de pressurisation 2 et l'organe de dosage 5.
En variante, le dosage réalisé par l'organe de dosage 5 est sonique ou subsonique, en fonction du régime du moteur et/ou de la turbomachine.
Par exemple à bas régime du moteur et/ou de la turbomachine, correspondant à un faible débit d'hydrogène Q., le dosage est sonique. A l'inverse, à haut régime du moteur et/ou de la turbomachine, correspondant à un fort débit d'hydrogène Q., le dosage est subsonique.
Le passage d'un mode de dosage sonique à subsonique et inversement est géré via la consigne de pression de pression d'hydrogène CPacCu régulée de façon à avoir le ratio entre la pression d'hydrogène Pavai en aval de l'organe de dosage 5 et la pression d'hydrogène Pamont, en amont de l'organe de dosage 5 de sorte que en dosage sonique :
Figure imgf000020_0001
va eur pour y rog ne .
Une telle variante permet de : - réduire des besoins en gradients de pression demandés à l'organe de pressurisation 2, par le premier régulateur 21, pour suivre la consigne stabilisée de pression d'hydrogène CPaccustab en régime transitoire ;
- réduire des besoins en pression en régime stabilisé induisant une optimisation du dimensionnement des équipements de l'organe de pressurisation 2. Il est ainsi possible de réduire les contraintes en pression sur le dimensionnement des équipements entre l'organe de pressurisation 2 et l'organe de dosage 5 ; et
- lorsque le débit d'hydrogène Q. au niveau des injecteurs 100 est calculé, avoir une meilleure précision d'une reconstitution de débit pour de faibles débits d'hydrogène Q. à l'injection, notamment pendant une phase de démarrage.
Le module d'élaboration de pression aval 52 a une sortie reliée à une entrée d'un module de détermination d'avance de phase 53 apte définir une compensation d'un temps de réponse du premier régulateur 21 en régime transitoire Le module d'élaboration de pression aval 52 fournit la valeur de consigne stabilisée de pression d'hydrogène CPaccustab dans l'accumulateur d'hydrogène 4 au module de détermination d'avance de phase 53.
En effet, le premier régulateur 21 a un temps de réponse T21. Ainsi, afin de respecter la relation (3) en régime transitoire, malgré le temps de réponse T21 du premier régulateur 21, il est nécessaire de compenser le temps de réponse du premier régulateur 21 en régime transitoire. Une avance de phase est ainsi déterminée par la fonction :
H(P) = 1 + T2I.P
La figure 5 illustre des graphiques représentant une évolution temporelle de la consigne de pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 du système d'alimentation en hydrogène A, en particulier lors d'un changement de régime.
Le changement de régime est caractérisé par une modification de la consigne de pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 passant d'une première valeur Pi, correspondant à un premier régime établi, à une deuxième valeur P2, dans l'exemple présenté supérieure à la première valeur Pi, correspondant à un deuxième régime établi. Le passage de la première valeur Pi de la consigne de pression d'hydrogène CPaCcu à la deuxième valeur P2 est effectué entre un premier instant tio et un deuxième instant t2o délimitant une période de régime transitoire entre le premier régime établi, prenant fin au premier instant tio, et deuxième régime établi, débutant au deuxième instant t2o.
Au cours du régime transitoire, soit entre le premier instant tio et le deuxième instant t2o, la consigne de pression d'hydrogène CPaccu dans l'accumulateur d'hydrogène 4 augmente de la première valeur Pi à une valeur maximale Pmax supérieure à la deuxième valeur P2 puis diminue jusqu'à la deuxième valeur P2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de régulation (B) d'un système d'alimentation en hydrogène (A) d'une turbomachine comprenant une chambre de combustion, le système d'alimentation en hydrogène comportant, notamment agencés en série, au moins : un organe de pressurisation (2), et un organe de dosage (5) avantageusement relié à la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un accumulateur d'hydrogène (4) agencé entre l'organe de pressurisation (2) et l'organe de dosage(5), un premier régulateur (21) apte à commander l'organe de pressurisation (2) en fonction d'une pression d'hydrogène (PaCcu) dans l'accumulateur d'hydrogène (4) et d'une consigne de pression d'hydrogène (CPaCcu) dans l'accumulateur d'hydrogène (4), et un deuxième régulateur (31) apte à commander l'organe de dosage (5) en fonction d'un débit d'hydrogène (Q) injecté dans la chambre de combustion et d'une consigne de débit d'hydrogène (CQ) à injecter dans la chambre de combustion.
2. Dispositif de régulation (B) selon la revendication 1, dans lequel le premier régulateur (21) commande le fonctionnement de l'organe de pressurisation (2) en fonction d'une différence entre la pression d'hydrogène (PacCu) dans l'accumulateur d'hydrogène (4) et la consigne de pression d'hydrogène (CPacCu) dans l'accumulateur d'hydrogène (4).
3. Dispositif de régulation (B) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le deuxième régulateur (31) commande le fonctionnement de l'organe de dosage (5) en fonction d'une différence entre le débit d'hydrogène (Q) injecté dans la chambre de combustion et la consigne de débit d'hydrogène (CQ) à injecter dans la chambre de combustion.
4. Dispositif de régulation (B) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit d'élaboration de consigne de pression (50) apte à déterminer la consigne de pression d'hydrogène (CP accu)-
5. Dispositif de régulation (B) selon la revendication 4, dans lequel le circuit d'élaboration de consigne de pression (50) comprend une entrée reliée à un dispositif de contrôle-moteur (40) de la turbomachine et une sortie reliée à un premier soustracteur (20) destiné à calculer la différence entre la valeur de la pression d'hydrogène (Paccu) et la consigne de pression d'hydrogène (CPaCcu).
6. Dispositif de régulation (B) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le circuit d'élaboration de consigne de pression (50) comprend un module d'élaboration de pression aval (51) apte à déterminer une pression d'hydrogène (Pavai) en aval de l'organe de dosage (5).
7. Dispositif de régulation (B) selon la revendication 6, dans lequel le module d'élaboration de pression aval (51) détermine la pression d'hydrogène (Pavai) en aval de l'organe de dosage (5) à partir de la valeur de débit d'hydrogène (Q.) injecté dans la chambre de combustion et d'une valeur de pression d'hydrogène (PS3) dans la chambre de combustion.
8. Dispositif de régulation (B) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le circuit d'élaboration de consigne de pression (50) comprend un module d'élaboration de consigne stabilisée (52) apte à déterminer une consigne stabilisée de pression d'hydrogène (CP accusta b) dans l'accumulateur d'hydrogène (4).
9. Dispositif de régulation (B) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le circuit d'élaboration de consigne de pression (50) comprend un module de détermination d'avance de phase (53) apte à définir une compensation d'un temps de réponse du premier régulateur (21) en régime transitoire.
10. Dispositif de régulation (B) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe de dosage (5) assure un dosage sonique et/ou subsonique, en fonction de la consigne de pression de pression d'hydrogène (CPaccu).
11. Système d'alimentation en hydrogène d'une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12. Turbomachine comportant des injecteurs, caractérisée en ce qu'elle comporte un système d'alimentation en hydrogène selon la revendication 11.
13. Aéronef comportant une turbomachine selon la revendication 12.
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