FR3119420A1 - SET FOR TURBOMACHINE - Google Patents
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Abstract
ENSEMBLE POUR TURBOMACHINE L’invention concerne un ensemble (14) en particulier pour l’alimentation d’une turbomachine d’aéronef comprenant : un réservoir (16) de stockage pour un carburant cryogénique,un circuit (20) de carburant destiné à être relié à des moyens 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 le réservoir (16) de carburant comprend une paroi interne (54) et une paroi externe (18) délimitant ensemble un espace annulaire en communication fluidique avec un espace interne par un orifice (61) formé en partie basse de la paroi interne (54),le circuit (20) de carburant comprend une portion de liquéfaction de la partie gazeuse du carburant, cette portion (62) s’étendant dans une partie haute de l’espace annulaire. Figure pour abrégé : figure 4The invention relates to an assembly (14) in particular for supplying an aircraft turbomachine comprising: a storage tank (16) for a cryogenic fuel, a fuel circuit (20) intended to be connected to means for supplying fuel to a turbine engine, an upstream end of said circuit (20) opening inside the tank (16) to draw off liquid fuel from the tank (16), in which the tank ( 16) fuel comprises an internal wall (54) and an external wall (18) together delimiting an annular space in fluid communication with an internal space through an orifice (61) formed in the lower part of the internal wall (54), the circuit (20) of fuel comprises a portion for liquefying the gaseous part of the fuel, this portion (62) extending in an upper part of the annular space. Figure for abstract: Figure 4
Description
La présente divulgation se rapporte à un ensemble pour aéronef à carburant cryogénique. Elle comprend également un aéronef équipé d’un tel ensemble.This disclosure relates to an assembly for a cryogenically fueled aircraft. It also includes an aircraft equipped with such a set.
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.Conventionally, a cryogenic fuel is a fuel that must be stored at extremely low temperatures to allow it to maintain a liquid state. Such a fuel is generally formed by the liquefaction of a gas such as, for example, hydrogen. Other gases can also be used. We speak of cryogenics when the temperature is below -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’aéronautiqueStorage in liquid form makes it possible to significantly increase the density, thus allowing storage of a greater quantity of fuel for a given tank volume. This issue is particularly important in aeronautics for obvious aerodynamic reasons, the greater the on-board volume, the greater the aerodynamic drag. It is therefore quite natural that gaseous fuels in the state of pressure and ambient temperatures are stored in the form of cooled liquid rather than compressed gas. To obtain a density close to that of a liquid, a gas must be compressed to several hundred bars. Tanks resistant to this pressure are extremely heavy and do not seem possible for aeronautics
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.Cryogenic fuels have the advantage of reducing polluting emissions and therefore reduce greenhouse gas emissions.
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.The cryogenic fuel tank includes an insulated container to limit the amount of heat entering the tank. However, heat exchanges take place between the tank and the external environment, leading to heat from the external environment entering the tank containing liquid fuel and vaporizing part of it if it is stored. at saturation. The gas formed accumulates and increases the pressure in the tank. However, this increase in pressure directly impacts the sizing and design of the tank and therefore its mass.
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.It is therefore essential to develop technological solutions aimed at limiting the increase in temperature of the liquid fuel while avoiding an increase in mass.
RésuméSummary
A cet effet, il est proposé un premier ensemble en particulier pour aéronef comprenant :To this end, a first assembly is proposed, in particular for aircraft, comprising:
- un réservoir de stockage pour un carburant cryogénique comportant une paroi externe,a storage tank for a cryogenic fuel comprising an outer wall,
- 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,a fuel circuit intended to be connected to fuel supply means of a turbine engine, an upstream end of said circuit opening inside the tank to draw liquid fuel from the tank,
dans lequelin which
- ledit circuit de carburant comporte au moins une portion portée par la paroi externe dudit réservoir.said fuel circuit comprises at least a portion carried by the outer wall of said tank.
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.According to the invention, liquid fuel leaving the fuel tank circulates in said at least one portion so that the flow of liquid fuel circulating therein mainly captures the calories coming from outside, which prevents the calories n enter the tank and heat up the liquid fuel. The thermal drift, that is to say the increase in the temperature of the liquid fuel is lowered compared to the prior art, which avoids an increase in the pressure in the tank and makes it possible to reduce the mass of the tank. Furthermore, the external calories are thus captured by said portion of the fuel circuit, which makes it possible to increase the temperature of the fuel intended for the fuel supply means of the turbomachine. The fuel is thus preheated with a view to its use in a combustion chamber, which is beneficial to the operation of the 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.Means for pressurizing the fuel of said at least one portion can advantageously be provided in order to compress the fuel flowing in said portion and intended for the engines. In this way, the liquid fuel is slightly pressurized so that the fuel remains liquid despite an increase in its temperature. The pressure can be between 1 and 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.According to another characteristic, said at least one portion surrounds the outer wall of the tank. The term “surrounds” is used in reference to a portion which may surround all of or start from the tank. In particular, the portion may entirely surround the outer wall or else only a part thereof as will be apparent on reading the description made with reference to the 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.Said at least one portion may comprise a first portion delimited internally by an inner wall and an outer wall. The fuel circulates between the two inner and outer walls which form a space surrounding the tank. The fuel circulating therein captures the calories from the outside environment, thus preventing them from heating the fuel in the fuel tank. The fuel is then recovered at the top of the tank where it is directed by a pipe to the downstream of the fuel circuit.
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.The outer wall may be surrounded by a thermal insulation layer which makes it possible to increase the thermal insulation of the first portion of fuel and limits the supply of calories thereto.
La paroi intérieure peut former la paroi externe du réservoir de stockage de carburant cryogénique.The inner wall may form the outer wall of the cryogenic fuel storage tank.
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.Said at least one portion may comprise a second portion arranged inside the outer wall of the reservoir. This second portion can be arranged in contact with the outer wall of the tank so as to maximize the heat transfer between the wall and the flow rate in said second 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.In another embodiment of the invention, said second portion may comprise a conduit with turns extending inside the outer wall of the tank.
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.Said at least one portion may further comprise a third portion comprising a conduit with turns extending around the outer wall of the reservoir. This third portion can be arranged in contact with the outer wall of the tank so as to maximize the heat transfer between the wall and the flow rate in said second 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.In another embodiment, a layer of thermal insulation can be interposed between the conduit with turns of the third portion and the outer wall of the tank. The thermal insulation layer may have at least one indentation extending in a direction opposite to the outer wall. A thermal conductor, such as aluminum, can be arranged between the turns of the conduit of the third portion. A layer of thermal insulation may surround said duct on the outside.
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.The thermal insulation layer and/or the thermal conductor make it possible to direct the heat towards the third portion in order to transfer it to the flow of fuel circulating in the said third 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.Fins can be formed in one or the other of the second or third portions of the fuel circuit and more particularly in the turns ducts.
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 :This disclosure also relates to a second set, in particular for aircraft, which can be taken independently or in combination with the characteristics mentioned above relating to the first set mentioned above, the second set comprising:
- un réservoir de stockage pour un carburant cryogénique comportant une paroi externe,a storage tank for a cryogenic fuel comprising an outer wall,
- 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,a fuel circuit intended to be connected to fuel supply means of a turbine engine, an upstream end of said circuit opening inside the tank to draw liquid fuel from the tank,
dans lequelin which
- 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.said fuel circuit comprises a portion for liquefying the gaseous part of the fuel and extending inside the tank and in an upper part of the tank.
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.The fuel flow of the liquefaction portion indirectly captures calories that have entered the fuel tank by serving as a recondenser for cryogenic fuel in gaseous state.
Ladite portion de liquéfaction peut comprendre un conduit à serpentin formé d’une pluralité de segments.Said liquefaction portion may comprise a serpentine conduit formed from a plurality of segments.
Les segments peuvent être reliés les uns aux autres par des ailettes thermiquement conductrices.The segments can be connected to each other by thermally conductive fins.
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.The hot gas in contact with the segments and the cold fins is cooled then recondensed in liquid form and then falls back into the liquid. The flow of fuel from the liquefaction portion recovers heat, which is advantageous for then supplying the fuel supply means of a turbomachine.
Ladite portion peut s’étendre selon une direction sensiblement horizontale pour couvrir au mieux la surface d’évaporation du liquide.Said portion may extend in a substantially horizontal direction to best cover the liquid evaporation surface.
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 :The present disclosure also relates to a third set, in particular for aircraft, which can be taken independently or in combination with the characteristics mentioned above relating to the aforementioned first or second set, the third set comprising:
- un réservoir de stockage pour un carburant cryogénique,a storage tank for cryogenic fuel,
- 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,a fuel circuit intended to be connected to fuel supply means of a turbine engine, an upstream end of said circuit opening inside the tank to draw liquid fuel from the tank,
dans lequelin which
- 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,the fuel tank comprises an internal wall and an external wall together delimiting an annular space in fluid communication with an internal space via an orifice formed in the lower part of the internal wall,
- 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.the fuel circuit comprises a portion for liquefying the gaseous part of the fuel, this portion extending in an upper part of the annular space.
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.Said liquefaction portion may comprise a duct with turns, for example two or three, of which an upstream end is connected by an external duct to a lower part of the fuel tank and of which a downstream end is connected to a downstream part of the fuel circuit .
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.The tank has in this third set a double wall. The inner wall is preferably thermally insulating. The orifice formed at the bottom of the internal wall allows a quantity of liquid to pass into the annular space. The liquid present in this space is heated by the thermal inlets and rises to a recondenser which is the liquefaction portion in which a flow of liquid fuel circulates.
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.A valve can be provided at the top of the tank to lower the pressure in the annular space if the latter exceeds a threshold value, the gas then being evacuated to the tank. For this, he can use a valve calibrated at a differential pressure of 0.1 to 0.2 bar, this valve being placed at the top of the tank. If the pressure between the two walls exceeds the pressure P=pressure in the tank +0.2 bar, the valve opens to release gas into the tank.
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.Each of the assemblies may comprise a multi-way valve mounted upstream of said portion of the conduit, between a fuel outlet of the tank and the upstream end of said portion of the conduit, an outlet of this multi-way valve being connected to the downstream of the portion of fuel which can be one of the calorie capture portions from outside the tank; that is, one of the first portion, second portion and third portion; the liquefaction portion mounted in the tank and the liquefaction portion arranged in the annular space.
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.Also, the present disclosure relates to embodiments comprising one of the calorie capture portions from outside the tank; that is, one of the first portion, second portion and third portion; the liquefaction portion mounted in the tank and the liquefaction portion arranged in the annular space. Thus, many embodiments are thus covered by the present disclosure.
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.In the present disclosure, the term "fuel circuit" refers to all or only part of the entirety of a fuel circuit supplying a 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.Also concerned is an aircraft such as an airplane comprising at least one of the assemblies described above, the cryogenic fuel storage tank being arranged in a rear part of the 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 :Other characteristics, details and advantages will appear on reading the detailed description below, and on analyzing the appended drawings, in which:
Claims (19)
- un réservoir (16) de stockage pour un carburant cryogénique,
- un circuit (20) de carburant destiné à être relié à des moyens 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),
- le réservoir (16) de carburant comprend une paroi interne (54) et une paroi externe (18) délimitant ensemble un espace annulaire en communication fluidique avec un espace interne par un orifice (61) formé en partie basse de la paroi interne (54),
- le circuit (20) de carburant comprend une portion de liquéfaction de la partie gazeuse du carburant, cette portion (62) s’étendant dans une partie haute de l’espace annulaire.
- a storage tank (16) for a cryogenic fuel,
- a fuel circuit (20) intended to be connected to fuel supply means of a turbine engine, an upstream end of the said circuit (20) opening out inside the tank (16) in order to draw off liquid fuel from the the tank (16),
- the fuel tank (16) comprises an internal wall (54) and an external wall (18) together delimiting an annular space in fluid communication with an internal space via an orifice (61) formed in the lower part of the internal wall (54) ,
- the fuel circuit (20) comprises a portion for liquefying the gaseous part of the fuel, this portion (62) extending in an upper part of the annular space.
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- 2021-01-29 FR FR2100915A patent/FR3119420B1/en active Active
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|---|---|
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