Etat de l’art de l’hybridation du système de propulsion des hélicoptères

04/10/2018
Auteurs : ARC GAZZINO
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23549
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Etat de l’art de l’hybridation du système de propulsion des hélicoptères

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Etat de l’art de l’hybridation du système de propulsion des hélicoptères La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 22 Etat de l’art de l’hybridation du système de propulsion des hélicoptères DR. MARC GAZZINO Senior expert Electrical systems – On board energy Airbus Helicopters Aéroport International Marseille Provence 13725 Marignane Cedex France 1. Introduction Comme dans l’industrie automobile, il peut être envisagé de remplacer partiellement ou complètement l’énergie thermique nécessaire à la propulsion et la sustentation des hélicoptères par l’énergie électrique. L’amélioration des performances des technologies électriques permet de proposer des systèmes électriques avec des ratios masse puissance attractifs pour compléter l’énergie thermique utilisée pour la propulsion des hélicoptères. 2. Différents types d’hybrydation Ce qui est appelé “hybridation” est l’utilisation de l’énergie électrique en complément ou remplacement de l’énergie thermique pour le système de propulsion. Les puissances mises en jeu vont de quelques dizaines de kW pour aider directement la turbine, à plusieurs centaines de kW si on considère l’entrainement du rotor. Par analogie avec les solutions existantes dans le domaine automobile, les nouvelles architectures de systèmes de propulsion hybrides pour hélicoptères peuvent être classées en plusieurs catégories suivant la puissance: - micro hybridation: puissance limitée à quelques dizaines de kW et utilisée pour aider directement le générateur de gaz en phase d’accélération afin d’obtenir rapidement de la puissance supplémentaire par exemple. -“Mild Hybrid” ou hybridation légère consistant à transmettre des puissances jusqu’à 300kW directement à la Boite de Transmission Principale qui entraine le rotor. Exemples d’application : amélioration de l’autorotation des hélicoptères monomoteurs, dont une démonstration de faisabilité a été faite en 2011, ou électrification du rotor arrière. -”Full Hybrid” permettant d’assurer une partie du vol avec uniquement l’énergie électrique, l’énergie thermique étant toujours utilisée dans certaines phases de vol. Une grande variété d’architecture peut être imaginée, avec la possibilité de stocker ou pas de l’énergie dans des batteries d’accumulateurs par exemple. -”Full electric”, dans ce cas il n’y a plus d’énergie thermique pour la totalité du vol, comme pour les drones de petites tailles, ou les démonstrateurs technologiques type CityAirbus, VAHANA,e-Volo. Et l’organisation des sources de puissance: - Architecture parallèle : la chaine de puissance électrique fournit de l’énergie mécanique en parallèle de la chaine thermique.. - Architecture série: le rotor est entrainé par un ou plusieurs moteurs électriques, alimentés par un générateur entrainé par un moteur thermique. - Architecture “Power split”: le moteur électrique est connecté au boitier mécanique permettant la combinaison des deux énergies, soit en additionnant l’énergie électrique et mécanique, soit en soustrayant l’énergie électrique pour la recharge de batterie par exemple. Ces architectures peuvent être appliquées à l’entrainement du rotor principal et du rotor arrière. Résumé : Comme dans l’industrie automobile, il peut être envisagé de remplacer partiellement ou complètement l’énergie thermique nécessaire pour la propulsion et la sustentation des hélicoptères par l’énergie électrique. L’amélioration des performances des technologies électriques permet de proposer des systèmes électriques avec des ratios masse puissance attractifs pour compléter l’énergie thermique utilisée pour la propulsion des hélicoptères. Les différences entre les fonctions réalisées par la propulsion hybride dans le domaine automobile et les possibilités offertes par l’hybridation du système de propulsion sur un hélicoptère seront expliquées. Les différentes architectures d’hybridation hélicoptère ou turbine seront revues et des exemples d’application possibles seront proposés pour un hélicoptère conventionnel. Les exigences de performances des composants des architectures électriques en vue d’applications en série sur les hélicoptères seront revues : machines électriques, électroniques de puissances, stockage d’énergie, refroidissement. Etat de l’art de l’hybridation du système de propulsion des hélicoptères La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 23 3. Différences entre l’hybridation automobile et l’hybridation sur helicoptere L’Hybridation sur hélicoptère diffère de l’hybridation des automobiles par l’utilisation et la puissance: Sur hélicoptère, les profils de puissances sont beaucoup plus stables que sur automobile et en particulier, il n’y a pas de décélération de la turbine en vol permettant de récupérer de l’énergie. Sur automobile les niveaux de puissances varient fortement en fonction de l’utilisation : - forte puissance sur autoroute: utilisation du moteur thermique - faible puissance en zone urbaine: utilisation du moteur électrique avec fort couple à basse vitesse permettant de fortes accélérations. - Récupération de l’énergie au freinage en zone urbaine. Néanmoins, les caractéristiques spécifiques de l’hélicoptère (multi moteurs, phase d’urgence, domaine de vol) peuvent justifier l’introduction de solutions d’hybridation du système de propulsion: Les principaux bénéfices sont d’ouvrir de nouveaux degrés de liberté pour le système de propulsion afin de : - Optimiser les moteurs thermiques qui sont dimensionnés pour certaines phases de vol limitées en durée comme le décollage ou la perte d’un moteur. - réduire la complexité des systèmes mécaniques (systèmes complexes et onéreux sur un hélicoptère) en utilisant différentes combinaisons de moteurs thermiques qui entrainent des générateurs électriques fournissant la puissance aux moteurs électriques. - réduire le bruit et améliorer les performances en élargissant le domaine de vitesse des rotors et découplant mécaniquement le rotor arrière du rotor principal. Enfin, la contrainte de masse pour un hélicoptère est beaucoup plus importante que pour un véhicule automobile. 4. Exemples d’hybridation hélicoptère Parmi les nombreuses architectures d’hybridation possibles, on peut citer : 4.1. Microhybridation de la turbine pour amélioration des performances moteur: La fourniture de puissance directement sur le générateur de gaz de la turbine permet une augmentation amplifiée de la puissance sur la turbine libre qui entraine le rotor. Ce principe permet d’éviter le sur dimensionnent de la turbine pour les cas de fonctionnement d’urgence comme la perte d’un moteur pour un hélicoptère multi moteurs ou permet d’améliorer les performances monomoteur d’un hélicoptère bimoteur existant. Les technologies électriques existantes permettent la mise en œuvre de ce système avec un accroissement de masse additionnelle raisonnable. 4.2. Motorisation électrique secours pour hélicoptère monomoteur (Engine Backup System - EBS): Un système électrique de secours est utilisé pour améliorer la manœuvrabilité de l’hélicoptère durant la phase d’autorotation en cas de perte du moteur : dans ces conditions l’hélicoptère est capable d’assurer une descente et reste manœuvrable jusqu’à l’atterrissage grâce à la mise en œuvre de procédure pour laquelle le pilote est entrainé. Le système fournit la puissance au rotor par l’intermédiaire d’un moteur électrique alimenté par un système de stockage d’énergie. Cet apport de puissance permet de maintenir le rotor dans une plage de vitesse en dessous de laquelle l’hélicoptère n’est plus contrôlable, ce qui apporte un meilleur contrôle de la phase d’autorotation : suite à l’arrêt du moteur, le système fournit transitoirement de la puissance afin de maintenir une vitesse minimale sur le rotor et ainsi d’aider le pilote à mettre place sa procédure d’autorotation, et lors de l’atterrissage, un nouvel apport de puissance permet d’aider le plote à assurer un atterrissage dans de meilleures conditions de sécurité. Les densités de puissances des moteurs électriques, contrôleurs, et systèmes de stockage d’énergie (accumulateurs, piles thermiques, …) permettent d’envisager une masse du système de l’ordre de 50kg, inférieure à la masse d’un passager. (fig 1). Figure 1 : exemples d’architectures 5. Les technologies pour l’électrification du système de propulsion Les composants majeurs des systèmes électriques d’hybridation sont les machines électriques, moteurs ou générateurs ou machines réversibles, les électroniques de puissances qui pilotent ces moteurs, les sources de ETRA / C.Mercier / MEA_2015 / V5xp / 04/02/2015 © Airbus Helicopters rights reserved ▪ Objectives: Assistance to Auto-rotation – Maintain rotor speed at engine loss – Ease Flare phase / landing ▪ Benefits – Improve helicopter control during autorotation phase – Increase autorotation envelope ▪ Drawbacks – Payload reduction ▪ Hybrid System – Power motor for 15-30s – System total weight: less than 1 pax – Key component: energy storage ▪ Conclusion: promising but gaps still to be filled 6 Some architecture examples: Mild Hybrid applications Engine Back-Up System (EBS) for Single Engine Today 2015 2020 kW/kg Today 2015 2020 Wh/kg Today 2015 2020 kW/kg primary battery DC AC M Etat de l’art de l’hybridation du système de propulsion des hélicoptères La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 24 stockage d’énergie électrochimiques primaires et secondaires, ou cinétiques. Ces composants ont aujourd‘hui des ratios de puissance massiques de quelques kW/kg qui continueront à croitre dans le futur grâce aux nouveaux matériaux à forte densité d’induction et de température ou à l’exploitation de topologies peu répandues comme les machines à reluctance par exemple. Pour les électroniques, il faut compter sur l’élargissement de l’utilisation des composants grand gap tels que SiC, GaN. Pour les batteries d’accumulateurs, les technologies Lithium continuent leurs évolutions, sachant que les besoins aéronautiques demandent d’augmenter les densités d’énergie (Wh/kg) comme pour le domaine automobile mais aussi les densités de puissance (kW/kg) comme pour les outillages portatifs. Néanmoins l’industrie aéronautique bénéfice des efforts réalisés sur les technologies électriques pour l’hybridation automobile en particulier pour les composants électriques et accumulateurs électrochimiques. Il faudra aussi compter bientôt sur les solutions de piles à combustibles dont les densités de puissance massiques et volumiques sont encore un frein pour l’aéronautique. La masse est un paramètre clé pour les technologies embarquées, mais les aspects volumes et refroidissement sont aussi des facteurs potentiellement limitants pour l’introduction des technologies d’hybridation. Si pour l’utilisation de machines électriques de forte puissance avec des durées d’utilisation de 15 à 30s, l’inertie thermique peut être suffisante, pour des durées supérieures, des systèmes de refroidissement seront nécessaires aussi bien pour les machines électriques que les batteries et viendront augmenter la masse. 6. Conclusion L’aéronautique est à l’aube d’une nouvelle ère avec l’introduction de l’électrification partielle ou totale des systèmes de propulsion comme cela a été le cas dans le domaine automobile il y a une vingtaine d’année. Il existe encore des freins liés à l’impact sur les performances (durée de fonctionnement/masse) et coût d’installation de ces systèmes pour les utilisateurs, ce qui demande de continuer à faire progresser significativement les technologies électriques.