FR3119375A1 - Ensemble pour turbomachine - Google Patents
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Abstract
ENSEMBLE POUR TURBOMACHINE L’invention concerne un ensemble (10) pour l’alimentation d’une turbomachine d’aéronef comprenant : un réservoir (16) de stockage pour un carburant cryogénique comportant une paroi externe (18),un circuit (20) de carburant destiné à être relié à des moyens (22) d’alimentation en carburant d’une turbomachine, une extrémité amont dudit circuit (20) débouchant à l’intérieur du réservoir (16) pour réaliser un prélèvement de carburant liquide dans le réservoir (16), dans lequel ledit circuit (20) de carburant comporte au moins une portion (24, 36, 38) portée par la paroi externe (18) dudit réservoir (16). Figure pour abrégé : figure 1
Description
La présente divulgation se rapporte à un ensemble pour aéronef à carburant cryogénique. Elle comprend également un aéronef équipé d’un tel ensemble.
Classiquement, un carburant cryogénique est un carburant qui doit être stocké à des températures extrêmement basses pour lui permettre de maintenir un état liquide. Un tel carburant est généralement constitué par liquéfaction d’un gaz tels que par exemple de l'hydrogène. D’autres gaz peuvent aussi être utilisés. On parle de cryogénie lorsque la température est inférieure à -150°C.
Le stockage sous forme liquide permet d’augmenter de manière importante la masse volumique autorisant ainsi un stockage d’une quantité de carburant plus importante pour un volume donné de réservoir. Cette problématique est particulièrement importante dans l’aéronautique pour des raisons évidentes d’aérodynamisme, plus le volume embarquée est important plus la trainée aérodynamique est importante. C’est donc tout naturellement que les carburants gazeux à l’état de pression et températures ambiantes sont stockés sous forme de liquide refroidit plutôt que de gaz comprimé. Pour obtenir une densité proche de celle d’un liquide, il faut comprimer un gaz à plusieurs centaines de bars. Les réservoirs résistants à cette pression sont extrêmement lourds et ne semblent pas envisageable pour l’aéronautique
Les carburants cryogéniques présentent l’avantage de réduire les émissions polluantes et par conséquent permettent de réduire les émissions de gaz à effet de serre.
Le réservoir de carburant cryogénique comprend un conteneur isolé pour limiter la quantité de chaleur rentrant dans le réservoir. Toutefois, des échanges de chaleur ont lieu entre le réservoir et l’environnement extérieur, conduisant à ce que de la chaleur de l’environnant extérieur s’introduise dans le réservoir contenant du carburant liquide et en vaporise une partie si celui-ci est stocké à saturation. Le gaz formé s’accumule et fait augmenter la pression dans le réservoir. Hors cette augmentation de pression impacte directement le dimensionnement et la conception du réservoir et donc sa masse.
Il est donc essentiel de développer des solutions technologiques visant à limiter l’augmentation de température du carburant liquide tout en évitant une augmentation de masse.
Résumé
A cet effet, il est proposé un premier ensemble en particulier pour aéronef comprenant :
- un réservoir de stockage pour un carburant cryogénique comportant une paroi externe,
- un circuit de carburant destiné à être relié à des moyens d’alimentation en carburant d’une turbomachine, une extrémité amont dudit circuit débouchant à l’intérieur du réservoir pour réaliser un prélèvement de carburant liquide dans le réservoir,
dans lequel
- ledit circuit de carburant comporte au moins une portion portée par la paroi externe dudit réservoir.
Selon l’invention, du carburant liquide sortant du réservoir de carburant circule dans ladite au moins une portion de manière à ce que le débit de carburant liquide qui y circule capte majoritairement les calories provenant de l’extérieur, ce qui évite que les calories n’entrent dans le réservoir et ne réchauffe le carburant liquide. La dérive thermique, c’est-à-dire l’augmentation de la température du carburant liquide est abaissée relativement à la technique antérieure, ce qui évite une augmentation de la pression dans le réservoir et permet de réduire la masse du réservoir. Par ailleurs, les calories extérieures sont ainsi captées par ladite portion du circuit de carburant ce qui permet d’augmenter la température du carburant destiné aux moyens d’alimentation en carburant de la turbomachine. Le carburant est ainsi préchauffé en vue de son utilisation dans une chambre de combustion, ce qui est bénéfique au fonctionnement de la turbomachine.
Des moyens de pressurisation du carburant de ladite au moins une portion peuvent être avantageusement prévus afin de comprimer le carburant circulant dans ladite portion et à destination des moteurs. De cette manière, le carburant liquide est mis légèrement sous pression de manière à ce que le carburant reste liquide malgré une augmentation de sa température. La pression peut être comprise entre 1 et 12 bars.
Selon une autre caractéristique, ladite au moins une portion entoure la paroi externe du réservoir. Le terme « entoure » est utilisé en référence à une portion qui peut entourer tout ou partir du réservoir. En particulier, la portion peut entourer intégralement la paroi externe ou bien seulement une partie de celle-ci comme cela sera apparent à la lecture de la description réalisée en référence aux figures.
Ladite au moins une portion peut comprendre une première portion délimitée intérieurement par une paroi intérieure et une paroi extérieure. Le carburant circule entre les deux parois intérieure et extérieure qui forme une espace entourant le réservoir. Le carburant qui y circule capte le calories de l’environnement extérieur évitant ainsi que celles-ci ne réchauffent le carburant du réservoir de carburant. Le carburant est ensuite récupéré en haut du réservoir où il est dirigé par une canalisation vers l’aval du circuit de carburant.
La paroi extérieure peut être entourée par une couche d’isolation thermique qui permet d’augmenter l’isolation thermique de la première portion de carburant et limite l’apport de calories à celle-ci.
La paroi intérieure peut former la paroi externe du réservoir de stockage de carburant cryogénique.
Ladite au moins une portion peut comprendre une deuxième portion agencée à l’intérieur de la paroi externe du réservoir. Cette seconde portion peut être agencée au contact de la paroi externe du réservoir de manière à maximiser le transfert thermique entre la paroi et le débit dans ladite seconde portion.
Dans une autre réalisation de l’invention, ladite deuxième portion peut comprendre un conduit à spires s’étendant à l’intérieur de la paroi externe du réservoir.
Ladite au moins une portion peut encore comprendre une troisième portion comportant un conduit à spires s’étendant autour de la paroi externe du réservoir. Cette troisième portion peut être agencée au contact de la paroi externe du réservoir de manière à maximiser le transfert thermique entre la paroi et le débit dans ladite seconde portion.
Dans une autre réalisation, une couche d’isolation thermique peut être intercalée entre le conduit à spires de la troisième portion et la paroi externe du réservoir. La couche d’isolation thermique peut présenter au moins une indentation s’étendant dans un sens opposé à la paroi externe. Un conducteur thermique, tel que l’aluminium, peut être agencé entre les spires du conduit de la troisième portion. Une couche d’isolation thermique peut entourer extérieurement ledit conduit.
La couche d’isolation thermique et/ou le conducteur thermique permettent de diriger la chaleur vers la troisième portion pour la transférer au débit de carburant circulant dans ladite troisième portion.
Des ailettes peuvent être formées dans l’une ou l’autre des deuxième ou troisième portion du circuit de carburant et plus particulièrement dans les conduits à spires.
La présente divulgation concerne également un deuxième ensemble, en particulier pour aéronef, qui peut être pris indépendamment ou en combinaison avec les caractéristiques précédemment évoquées relatives au premier l’ensemble précité, le deuxième ensemble comprenant :
- un réservoir de stockage pour un carburant cryogénique comportant une paroi externe,
- un circuit de carburant destiné à être relié à des moyens d’alimentation en carburant d’une turbomachine, une extrémité amont dudit circuit débouchant à l’intérieur du réservoir pour réaliser un prélèvement de carburant liquide dans le réservoir,
dans lequel
- ledit circuit de carburant comporte une portion de liquéfaction de la partie gazeuse du carburant et s’étendant à l’intérieur du réservoir et dans une partie haute du réservoir.
Le débit de carburant de la portion de liquéfaction capte indirectement des calories qui sont entrées dans le réservoir de carburant en servant de recondensateur au carburant cryogénique à l’état gazeux.
Ladite portion de liquéfaction peut comprendre un conduit à serpentin formé d’une pluralité de segments.
Les segments peuvent être reliés les uns aux autres par des ailettes thermiquement conductrices.
Le gaz chaud au contact des segments et des ailettes froides est refroidi puis recondensé sous forme liquide et retombe ensuite dans le liquide. Le débit de carburant de la portion de liquéfaction récupère quant à lui de la chaleur ce qui est avantageux pour l’alimentation ensuite des moyens d’alimentation en carburant de d’une turbomachine.
Ladite portion peut s’étendre selon une direction sensiblement horizontale pour couvrir au mieux la surface d’évaporation du liquide.
La présente divulgation concerne également un troisième ensemble, en particulier pour aéronef, qui peut être pris indépendamment ou en combinaison avec les caractéristiques précédemment évoquées relatives au premier ou au deuxième ensemble précité, le troisième ensemble comprenant :
- un réservoir de stockage pour un carburant cryogénique,
- un circuit de carburant destiné à être relié à des moyens d’alimentation en carburant d’une turbomachine, une extrémité amont dudit circuit débouchant à l’intérieur du réservoir pour réaliser un prélèvement de carburant liquide dans le réservoir,
dans lequel
- le réservoir de carburant comprend une paroi interne et une paroi externe délimitant ensemble un espace annulaire en communication fluidique avec un espace interne par un orifice formé en partie basse de la paroi interne,
- le circuit de carburant comprend une portion de liquéfaction de la partie gazeuse du carburant, cette portion s’étendant dans une partie haute de l’espace annulaire.
Ladite portion de liquéfaction peut comprendre un conduit à spires, par exemple deux ou trois, dont une extrémité amont est reliée par un conduit externe à une partie basse du réservoir de carburant et dont une extrémité aval est reliée à une partie aval du circuit de carburant.
Le réservoir dispose dans ce troisième ensemble d’une double paroi. La paroi interne est de préférence thermiquement isolante. L’orifice formé en bas de la paroi interne permet de faire passer une quantité de liquide dans l’espace annulaire. Le liquide présent dans cet espace est chauffé par les entrées thermiques et monte jusqu’à un recondensateur qui la portion de liquéfaction dans laquelle circule un débit de carburant liquide.
Une soupape peut être prévue au sommet du réservoir pour faire baisser la pression dans l’espace annulaire si celui-ci dépasse une valeur seuil, le gaz étant alors d’évacuer vers le réservoir. Pour cela, il peut utiliser une soupape tarée à une pression différentielle de 0,1à 0,2 bar, cette soupape étant placée au sommet du réservoir. Si la pression entre les deux parois dépasse la pression P=pression dans le réservoir +0,2 bar, la soupape s’ouvre pour relâcher du gaz dans le réservoir.
Chacun des ensemble peut comprendre une vanne multivoies montée en amont de ladite portion du conduit, entre une sortie de carburant du réservoir et l’extrémité amont de ladite portion du conduit, une sortie de cette vanne multi-voies étant reliée à l’aval de la portion de carburant qui peut être l’une des portions de captage de calories depuis l’extérieur du réservoir ; c’est-à-dire l’une des première portion, deuxième portion et troisième portion ; de la portion de liquéfaction montée dans le réservoir et de la portion de liquéfaction agencée dans l’espace annulaire.
Egalement, la présente divulgation concerne des réalisations comprenant l’une des portions de captage de calories depuis l’extérieur du réservoir ; c’est-à-dire l’une des première portion, deuxième portion et troisième portion ; de la portion de liquéfaction montée dans le réservoir et de la portion de liquéfaction agencée dans l’espace annulaire. Ainsi, de nombreuses réalisations sont ainsi couvertes par la présente divulgation.
Dans la présente divulgation, le terme « circuit de carburant » vise tout ou partie seulement de l’intégralité d’un circuit de carburant alimentant une turbomachine.
Est également concerné un aéronef tel qu’un avion comprenant au moins l’un des ensembles décrit ci-dessus, le réservoir de stockage de carburant cryogénique étant agencé dans une partie arrière du fuselage.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Claims (19)
- Ensemble (10) pour l’alimentation d’une turbomachine d’aéronef comprenant :
- un réservoir (16) de stockage pour un carburant cryogénique comportant une paroi externe (18),
- un circuit (20) de carburant destiné à être relié à des moyens (22) d’alimentation en carburant d’une turbomachine, une extrémité amont dudit circuit (20) débouchant à l’intérieur du réservoir (16) pour réaliser un prélèvement de carburant liquide dans le réservoir (16),
- ledit circuit (20) de carburant comporte au moins une portion (24, 36, 38) portée par la paroi externe (18) dudit réservoir (16).
- Ensemble selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une portion (24, 38) entoure la paroi externe (18) du réservoir (16).
- Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite au moins une portion comprend une première portion (24) délimitée intérieurement par une paroi intérieure (18) et une paroi extérieure (26).
- Ensemble selon la revendication 3, dans lequel la paroi intérieure forme la paroi externe (18) du réservoir (16) de stockage de carburant cryogénique.
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite au moins une portion comprend une deuxième portion (36) agencée à l’intérieur de la paroi externe (18) du réservoir (16).
- Ensemble selon la revendication 5, dans lequel ladite deuxième portion (36) comprend un conduit à spires (36a) s’étendant à l’intérieur de la paroi externe (18) du réservoir (16).
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ladite au moins une portion comprend une troisième portion (38) comportant un conduit à spires (38a) s’étendant autour de la paroi externe (18) du réservoir (16).
- Ensemble selon la revendication 7, dans lequel une couche d’isolation thermique (42) est intercalée entre le conduit (38) et la paroi externe (18) du réservoir (16).
- Ensemble selon la revendication 8, dans lequel la couche d’isolation thermique (42) présente au moins une indentation (42a) s’étendant dans un sens opposé à la paroi externe (18).
- Ensemble selon l’une des revendications 7 à 9, dans lequel un conducteur thermique (44), tel que l’aluminium, est agencé entre les spires (38a) du conduit (38).
- Ensemble selon l’une des revendications 7 à 10, dans lequel une couche d’isolation thermique (46) entoure extérieurement ledit conduit (38).
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel ladite au moins une portion du circuit de carburant comprend des ailettes (40) s’étendant en saillie à l’intérieur de celle-ci.
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le circuit (20) de carburant comprend une portion (48) de liquéfaction de la partie gazeuse du carburant, cette portion (48) de liquéfaction s'étendant à l'intérieur du réservoir (16) et dans une partie haute du réservoir (16).
- Ensemble selon la revendication 13, dans lequel ladite portion (48) de liquéfaction comprend un conduit (48a) à serpentin formé d’une pluralité de segments (50).
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 14, dans lequel le réservoir de carburant comprend une paroi interne (54) délimitant avec la paroi externe (18) un espace annulaire (60) en communication fluidique avec un espace interne (60) par un orifice (61) formé en partie basse de la paroi interne (54), le circuit (20) de carburant comprenant une portion (62) de liquéfaction de la partie gazeuse du carburant, cette portion (62) s'étendant dans une partie haute de l'espace annulaire (62).
- Ensemble selon la revendication 15, dans lequel ladite portion (62) de liquéfaction comprend un conduit à spires (62a) dont une extrémité amont est reliée par un conduit externe (64) à une partie basse du réservoir (16) de carburant et dont une extrémité aval est reliée à une partie aval du circuit de carburant.
- Ensemble selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une vanne multivoies (30) est montée en amont de ladite portion du conduit, entre une sortie de carburant du réservoir (16) et l’extrémité amont de ladite portion du conduit.
- Ensemble selon l’une des revendications précédentes, comprenant des moyens de pressurisation (28) du carburant de ladite au moins une portion.
- Aéronef tel qu’un avion comprenant un ensemble selon l’une des revendications précédentes, le réservoir (16) de stockage de carburant cryogénique étant agencé dans une partie arrière du fuselage.
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| FR2100913A FR3119375A1 (fr) | 2021-01-29 | 2021-01-29 | Ensemble pour turbomachine |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2021
- 2021-01-29 FR FR2100913A patent/FR3119375A1/fr active Pending
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