FR3133406A1 - Système de conditionnement de carburant pour l’alimentation en carburant d’une turbomachine d’aéronef - Google Patents

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Samer MAALOUF
Claude Parmentier Nicolas
Pierre Mohamed JOUAN Hugo
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Safran SA
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Abstract

Un système de conditionnement (SC) de carburant, configuré pour alimenter une turbomachine (M) d’aéronef à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R), le système de conditionnement (SC) comprenant au moins un échangeur de chaleur à recirculation (3), comprenant une enceinte (30) comprenant au moins un premier conduit (31) de circulation du flux de carburant (Q), monté dans l’enceinte (30) et configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) à une température primaire (T1) ; au moins un deuxième conduit (32) de recirculation du flux de carburant (Q), monté dans l’enceinte (30) et configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) à une température secondaire (T2) supérieure à la température primaire (T1) ; et au moins un troisième conduit (33) de circulation d’un fluide chaud (F) monté dans l’enceinte (30), le deuxième conduit de circulation (32) étant monté entre le premier conduit (31) et le troisième conduit (33). Figure de l’abrégé : Figure 3

Description

Système de conditionnement de carburant pour l’alimentation en carburant d’une turbomachine d’aéronef
La présente invention concerne le domaine des aéronefs comportant une ou plusieurs turbomachines alimentées par du carburant stocké dans un réservoir cryogénique.
Il est connu de stocker du carburant, en particulier de l’hydrogène, sous forme liquide pour limiter l’encombrement et la masse des réservoirs de l’aéronef. A titre d’exemple, le carburant est stocké à une température de l’ordre de 20 à 22 Kelvins (- 253 à -251°C) dans un réservoir cryogénique de l’aéronef.
Afin de pouvoir être injecté dans la chambre de combustion d’une turbomachine, le carburant doit être conditionné, c’est-à-dire pressurisé et chauffé, afin de permettre une combustion optimale. Un conditionnement est par exemple nécessaire pour réduire le risque de givrage, c’est-à-dire de solidification de la vapeur d’eau contenue dans l’air qui circule dans la turbomachine, en particulier, au niveau des injecteurs de carburant de la turbomachine. En référence à la , il est représenté un système de conditionnement SCAA selon l’art antérieur comprenant un circuit de carburant 101 relié en entrée à un réservoir cryogénique R et en sortie à la chambre de combustion CC d’une turbomachine M. Un flux de carburant Q circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant 101 traverse successivement une pompe mécanique 102 et un module de chauffage 103. La pompe 102 permet de faire circuler le flux de carburant d’amont en aval.
De manière connue, un module de chauffage 103 permet la circulation d’un ou plusieurs fluides chauds pour apporter des calories au flux de carburant Q. Chaque fluide chaud peut être soit un fluide caloporteur, soit un fluide provenant d’une source chaude disponible à bord de l’aéronef (comme par exemple de l’air chaud, des gaz chauds en sortie de la turbomachine, de l’huile moteur chaude, …). Du fait de la température très basse du flux de carburant Q en sortie du réservoir cryogénique R, il existe un risque que le fluide chaud, circulant dans le module de chauffage 103, givre dans le module de chauffage 103, ce qui peut endommager le module de chauffage 103 ou affecter son rendement.
En référence à la , on connait un système de conditionnement SCAA de carburant comprenant deux échangeurs de chaleur 131, 132 distincts montés successivement dans le circuit de carburant 101. Le premier échangeur 131, de type échangeur de chaleur carburant/carburant, permet de chauffer le flux de carburant Q jusqu’à une température primaire T1, supérieure à la température de solidification du fluide chaud (c’est-à-dire ici à la température de givrage du carburant), de manière à ce que le carburant soit à l’état gazeux. Le deuxième échangeur 132, dans lequel circule un fluide chaud, permet de chauffer le flux de carburant jusqu’à une température secondaire T2, supérieure à la température primaire T1. En sortie du deuxième échangeur 132, le flux de carburant Q re-circule dans le premier échangeur 131 pour réchauffer le flux de carburant Q issu du réservoir cryogénique R, jusqu’à la température primaire T1. Le flux de carburant Q, ayant atteint en sortie du deuxième échangeur 132 une température suffisamment élevée, peut ensuite être introduit dans la turbomachine M.
Cependant, un tel système de conditionnement nécessite deux échangeurs de chaleur successifs, un premier échangeur pour éviter tout risque de givrage du fluide chaud et un deuxième échangeur pour permettre de chauffer suffisamment le carburant pour qu’il puisse être introduit dans la turbomachine. Le système de conditionnement de l’art antérieur présente ainsi un encombrement important, ce qui n’est pas souhaitable pour une installation dans un aéronef.
L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients en proposant un nouveau système de conditionnement de carburant permettant un chauffage qui soit efficace et fiable tout en limitant l’encombrement du système de conditionnement pour faciliter son intégration dans un aéronef.
 PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un système de conditionnement de carburant configuré pour alimenter une turbomachine d’aéronef à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique, le système de conditionnement comprenant :
  • un circuit de carburant relié en entrée au réservoir cryogénique et en sortie à la turbomachine, un flux de carburant circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant,
  • au moins un échangeur de chaleur à recirculation, monté dans le circuit de carburant et configuré pour transmettre des calories au flux de carburant,
  • l’échangeur de chaleur à recirculation étant remarquable en ce qu’il comprend une enceinte comprenant :
    • au moins un premier conduit de circulation du flux de carburant, monté dans l’enceinte, le premier conduit étant configuré pour chauffer le flux de carburant à une température au moins égale à une température primaire prédéterminée,
    • au moins un deuxième conduit de recirculation du flux de carburant, monté dans l’enceinte, le deuxième conduit étant configuré pour chauffer le flux de carburant à une température au moins égale à une température secondaire prédéterminée, la température secondaire étant supérieure à la température primaire, et
    • au moins un troisième conduit de circulation d’un fluide chaud monté dans l’enceinte, le deuxième conduit de circulation étant monté entre le premier conduit et le troisième conduit.
Grâce au système de conditionnement selon l’invention, le troisième conduit transfère des calories d’un fluide chaud au flux de carburant circulant dans le deuxième conduit qui transfère lui-même des calories au flux de carburant circulant dans le premier conduit.
Le système de conditionnement selon l’invention permet dans une unique enceinte de réchauffer le flux de carburant provenant d’un réservoir cryogénique au moyen d’un fluide chaud, sans que ce dernier ne risque de givrer. Grâce à l’invention, l’échangeur de chaleur présente une durée de vie plus importante parce qu’il présente moins de risque d’être endommagé. Le rendement de l’échangeur de chaleur n’est en outre pas affecté, ce qui permet de s’assurer que le carburant qui est injecté dans la turbomachine en sortie de l’échangeur de chaleur est à une température suffisamment élevée pour éviter tout risque de givrage des injecteurs dans la turbomachine.
De préférence, le fluide chaud est un fluide caloporteur ou un fluide provenant d’une source chaude disponible à bord de l’aéronef, comme des gaz chauds en sortie d’une turbine basse pression de la turbomachine, des huiles chaudes, de l’air chaud, etc…
De manière préférée, le système de conditionnement de carburant comprend un unique échangeur de chaleur à recirculation. L’encombrement du système de conditionnement est ainsi fortement réduit par rapport à l’art antérieur. Il est avantageusement plus facile de l’intégrer dans la turbomachine d’un aéronef. Le système de conditionnement présente également une masse réduite, ce qui est avantageux compte tenu des contraintes de masse inhérentes au domaine aéronautique.
Dans une forme de réalisation préférée, le premier conduit et le deuxième conduit de l’échangeur de chaleur à recirculation sont reliés fluidiquement, permettant la circulation du flux de carburant entre le premier conduit de circulation et le deuxième conduit de recirculation. Autrement dit, le flux de carburant circulant dans le premier conduit peut directement circuler dans le deuxième conduit.
De préférence, le troisième conduit de circulation n’est relié fluidiquement ni au premier conduit de circulation, ni au deuxième conduit de circulation, de manière à s’affranchir de tout risque que le fluide chaud se mélange au flux de carburant.
De manière préférée, le flux de carburant circulant dans le premier conduit selon un premier sens de circulation, le flux de carburant circulant dans le deuxième conduit circule selon un deuxième sens de circulation, opposé au premier sens de circulation.
Dans une forme de réalisation, le premier conduit et le deuxième conduit étant coaxiaux, le premier conduit est monté dans le deuxième conduit, de manière à former un deuxième conduit périphérique autour du premier conduit. Le deuxième conduit périphérique peut ainsi chauffer le flux de carburant circulant dans le premier conduit de manière efficace. Une telle forme de réalisation permet avantageusement de s’assurer que tout le flux de carburant circulant dans le premier conduit soit chauffé de manière uniforme afin de s’assurer que le flux de carburant en sortie du premier conduit soit entièrement dans un état gazeux. Un flux de carburant entièrement à l’état gazeux ne présente ainsi pas de risque de givrer le fluide chaud en entrant dans le deuxième conduit.
Dans une forme de réalisation alternative, le premier conduit, le deuxième conduit et le troisième conduit se présentent sous la forme de plaques parallélépipédiques, le deuxième conduit étant adjacent au premier conduit et au troisième conduit. Une telle forme de réalisation permet une surface d’échanges thermiques importante entre les conduits permettant de manière rapide à la fois au fluide chaud de réchauffer le flux de carburant circulant dans le deuxième conduit et à ce dernier de réchauffer le flux de carburant circulant dans le premier conduit.
Dans une forme de réalisation, l’échangeur de chaleur à recirculation comprend :
  • une pluralité de premiers conduits configurés pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température au moins égale à la température primaire,
  • une pluralité de deuxièmes conduits configurés pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température au moins égale à la température secondaire, et
  • au moins un troisième conduit, chaque deuxième conduit étant monté respectivement entre l’un de la pluralité de premiers conduits et le troisième conduit.
Une telle forme de réalisation permet de chauffer le flux de carburant de manière efficace et rapide en introduisant le flux de carburant provenant du réservoir cryogénique dans une pluralité de premiers conduits qui présentent de fait chacun un volume limité. Il est ainsi plus simple de réchauffer le flux de carburant pour le faire passer dans l’état gazeux, puisqu’une surface plus importante de premiers conduits est en contact avec les deuxièmes conduits dans lesquels circule un flux de carburant chaud.
Dans une forme de réalisation alternative, l’échangeur de chaleur à recirculation comprend :
  • une pluralité de premiers conduits configurés pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température au moins égale à la température primaire,
  • une pluralité de deuxièmes conduits configurés pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température au moins égale à la température secondaire, chaque premier conduit étant monté à l’intérieur de l’un des deuxièmes conduits, et
  • un unique troisième conduit, la pluralité de premiers conduits et la pluralité de deuxièmes conduits étant montés dans le troisième conduit, de manière à faire circuler le fluide chaud dans un unique conduit tout en étant en contact de tous les deuxièmes conduits.
Dans une telle forme de réalisation, le flux de carburant circulant dans les premiers conduits est réchauffé de manière efficace grâce au volume limité de chaque premier conduit. En effet, le flux de carburant froid à l’état liquide dans chaque premier conduit est réchauffé par contact en périphérie avec l’un des deuxièmes conduits dans lequel circule un flux de carburant plus chaud. La périphérie du premier conduit chauffant ainsi avant son centre, un conduit présentant un volume plus faible permet plus facilement de chauffer l’ensemble du volume. Un unique troisième conduit permet un échangeur de chaleur simple dans lequel le flux de circulation du fluide chaud est direct tout en permettant de chauffer l’ensemble des deuxièmes conduits.
Dans une forme de réalisation, l’échangeur de chaleur est un échangeur à plaques, comprenant une alternance de premières plaques de circulation du flux de carburant, de deuxièmes plaques de recirculation du flux de carburant, et de troisièmes plaques de circulation du fluide chaud, chaque deuxième plaque de recirculation du flux de carburant étant adjacente à une première plaque de circulation du flux de carburant et à une troisième plaque du fluide chaud. Une telle forme de réalisation sous forme de plaques permet avantageusement de maximiser la surface d’échange entre chaque première plaque de circulation du flux de carburant et chaque deuxième plaque de recirculation du flux de carburant, et entre chaque deuxième plaque de recirculation du flux de carburant et chaque troisième plaque de circulation du fluide chaud, permettant un chauffage efficace à la fois du flux de carburant dans les premiers conduits (ici les premières plaques) et dans les deuxième conduits (ici les deuxièmes plaques).
De manière préférée, le flux de carburant ayant une température de vaporisation, la température primaire est supérieure à la température de vaporisation. Outre l’absence de risque de solidification, le premier conduit permet d’éliminer la phase liquide du flux de carburant et de ne conserver que la phase gazeuse qui peut ainsi être chauffée de manière simple et pratique par le deuxième conduit. Dans le cas où la pression du carburant est inférieure à sa pression critique (cas subcritique), l’échangeur de chaleur primaire permet de réaliser le changement de phase du carburant et de ne conserver que la phase gazeuse qui peut être chauffée de manière simple dans l’échangeur de chaleur secondaire.
Dans une forme de réalisation préférée, le fluide chaud ayant une température de solidification prédéterminée, la température primaire est supérieure à la température de solidification prédéterminée du fluide chaud.
Selon un aspect préféré, la température primaire est comprise entre 100K et 220K.
De manière préférée, la température secondaire est comprise entre 250K et 350K.
L’invention concerne également un procédé d’alimentation en carburant d’une turbomachine d’aéronef à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique au moyen d’un système de conditionnement tel que décrit précédemment, un flux de carburant circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant reliant en entrée le réservoir cryogénique et en sortie la turbomachine, le procédé comprenant des étapes consistant à :
  • chauffer le flux de carburant, dans le premier conduit, jusqu’à au moins la température primaire,
  • chauffer le flux de carburant, dans le deuxième conduit, jusqu’à au moins la température secondaire supérieure à la température primaire, le premier conduit prélevant des calories dans le flux de carburant ayant au moins la température secondaire.
 PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La est une représentation schématique d’un premier système de conditionnement selon l’art antérieur.
La est une représentation schématique d’un deuxième système de conditionnement selon l’art antérieur.
La est une représentation schématique d’un système de conditionnement selon une forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un échangeur de chaleur du système de conditionnement de la selon une première forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un échangeur de chaleur du système de conditionnement de la selon une deuxième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un échangeur de chaleur du système de conditionnement de la selon une troisième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un exemple de circulation du flux de carburant et du fluide chaud dans l’échangeur de chaleur de la .
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence à la , il est représenté un système de conditionnement SC de carburant configuré pour alimenter une turbomachine M d’aéronef à partir de carburant Q issu d’un réservoir cryogénique R. La turbomachine M est configurée pour assurer la propulsion de l’aéronef, notamment, par entrainement d’au moins un organe propulsif (non représenté sur la ).
Dans cet exemple, le carburant Q dans le réservoir cryogénique R est de l’hydrogène et est stocké à une température initiale T0 de l’ordre de 20 à 22 Kelvins (- 253 à -251°C). A cette température, le carburant Q est liquide. Il est décrit un système de conditionnement SC dans lequel le carburant Q est de l’hydrogène liquide mais l’invention s’applique à d’autres types de carburant, par exemple, du méthane liquide ou du gaz naturel liquéfié.
Selon une forme de réalisation de l’invention, en référence à la , le système de conditionnement SC comprend un circuit de carburant 1 (trait continu sur la ) relié en entrée au réservoir cryogénique R et en sortie à la turbomachine M. Le système de conditionnement SC comporte également une pompe 2, de préférence haute pression, configurée pour faire circuler un flux de carburant Q d’amont en aval dans le circuit de carburant 1.
Toujours en référence à la , le système de conditionnement SC comprend un échangeur de chaleur à recirculation 3, monté dans le circuit de carburant 1 et configuré pour transmettre des calories au flux de carburant Q afin de le réchauffer pour permettre son injection de manière optimale dans la turbomachine M. Le système de conditionnement SC comprend de préférence un unique échangeur de chaleur à recirculation 3, ce qui permet avantageusement un gain de place important.
L’échangeur de chaleur à recirculation 3 selon l’invention permet au sein d’un même équipement de chauffer un flux de carburant Q froid, ci-après « flux de carburant direct » Qd, issu du réservoir cryogénique R, avec un flux de carburant Q chaud qui aura été lui-même réchauffé par un fluide chaud F, ci-après « flux de carburant recirculé » Qr, comme cela sera décrit plus en détails par la suite. Dans cet exemple, le fluide chaud F est un fluide caloporteur. Il va de soi que le fluide chaud F pourrait tout aussi bien être un fluide provenant d’une source chaude à bord de l’aéronef, comme des gaz chauds en sortie d’une turbine basse pression de la turbomachine, des huiles chaudes, de l’air chaud, etc…
L’échangeur de chaleur à recirculation 3 peut être placé soit dans le périmètre avion (proche du réservoir cryogénique R, tuyauterie courte entre la pompe 2 et l’échangeur de chaleur à recirculation 3), soit dans le périmètre de la turbomachine M (tuyauterie longue entre la pompe 2 et l’échangeur de chaleur 3).
Selon l’invention, en référence à la , l’échangeur de chaleur à recirculation 3 comprend une enceinte 30 comprenant un premier conduit de circulation 31 du flux de carburant Q, un deuxième conduit de recirculation 32 du flux de carburant Q, et un troisième conduit de circulation 33 du fluide chaud F. Par le terme « conduit », on entend un volume de circulation comprenant une entrée et une sortie du flux de carburant Q ou du fluide chaud F. A ce titre, chaque conduit 31, 32, 33 peut être tout aussi bien un tube cylindrique (comme représenté sur la ), une plaque parallélépipédique (comme représenté sur la ) ou même un volume cubique (comme représenté sur la ), comme cela sera décrit plus en détails par la suite.
Dans cet exemple, en référence à la , l’échangeur de chaleur à recirculation 3 présente une forme cylindrique. Les trois conduits 31, 32, 33 présentent également une forme cylindrique.
Dans une forme de réalisation, le premier conduit 31 et le deuxième conduit 32 sont coaxiaux, le premier conduit 31 étant monté dans le deuxième conduit 32. Dans cet exemple, le troisième conduit 33 est également coaxial au premier conduit 31 et au deuxième conduit 32. Le premier conduit 31 et le deuxième conduit 32 sont montés dans le troisième conduit 33, comme représenté sur la . Autrement dit, dans cet exemple, le premier conduit 31 s’étend à l’intérieur du deuxième conduit 32, s’étendant lui-même à l’intérieur du troisième conduit 33.
Pour former les trois conduits 31, 32, 33, toujours en référence à la , l’échangeur de chaleur à recirculation 3 comprend une paroi interne 34, une paroi intermédiaire 35 et une paroi externe 36. La paroi interne 34 et la paroi intermédiaire 35 sont configurées pour permettre des échanges thermiques entre les différents conduits 31, 32, 33, comme cela sera décrit plus en détails par la suite.
Dans cet exemple, l’enceinte 30 présente la forme d’un cylindre plein. Dans l’enceinte 30, le premier conduit 31 est délimité radialement extérieurement par la paroi interne 34. Le deuxième conduit 32 est délimité radialement, intérieurement par la paroi interne 34 et extérieurement par la paroi intermédiaire 35. Le troisième conduit 33 est délimité radialement, intérieurement par la paroi intermédiaire 35 et extérieurement par la paroi externe 36.
Dans une forme de réalisation, la paroi interne 34 et la paroi intermédiaire 35 comprennent des surfaces d’échanges secondaires (non représentées), par exemple des ailettes, de manière à augmenter les échanges thermiques respectivement entre le premier conduit 31 et le deuxième conduit 32 et entre le deuxième conduit 32 et le troisième conduit 33. De telles surfaces d’échange secondaires permettent d’améliorer les performances aérothermiques de l’échangeur de chaleur à recirculation 3.
Il est décrit un échangeur de chaleur à recirculation 3 présentant une forme cylindrique, cependant il va de soi que l’échangeur de chaleur à recirculation 3 peut présenter une forme différente, en particulier une forme parallélépipédique, comme représenté sur les figures 5 à 7.
De même, il est décrit un échangeur de chaleur à recirculation 3 comprenant un unique premier conduit 31, un unique deuxième conduit 32 et un unique troisième conduit 33, cependant il va de soi que l’échangeur de chaleur à recirculation 3 pourrait tout aussi bien comprendre un nombre différent de conduits 31, 32, 33, en particulier un nombre supérieur ou égal à deux premiers conduits 31, un nombre supérieur ou égal à deux deuxièmes conduits 32 et/ou un nombre supérieur ou égal à deux troisièmes conduits 33 (comme représenté sur la ). De même, il va de soi que l’échangeur de chaleur à recirculation 3 pourrait tout aussi comprendre au moins deux premiers conduits 31, au moins deux deuxièmes conduits 32 et un unique troisième conduit 33 (comme représenté ).
En référence aux figures 3 et 4, le premier conduit 31 de circulation du flux de carburant Q est configuré pour chauffer le flux de carburant direct Qd provenant du réservoir cryogénique R à une température au moins égale à une température primaire T1 prédéterminée.
Le premier conduit 31 est en contact avec le deuxième conduit 32, via la paroi interne 34, de manière à permettre le chauffage du flux de carburant direct Qq jusqu’à la température primaire T1, comme cela sera décrit plus en détails par la suite. Le premier conduit 31 est relié fluidiquement au deuxième conduit 32, de manière à permettre le passage du flux de carburant Q depuis le premier conduit 31 vers le deuxième conduit 32. Autrement dit, le premier conduit 31 est relié fluidiquement en amont au réservoir cryogénique R et en aval au deuxième conduit 32.
Selon l’invention, la température primaire T1 est supérieure à la température de vaporisation du carburant Q. Ainsi en sortie du premier conduit 31, le flux de carburant direct Qd est à l’état gazeux, ce qui facilite son chauffage par le deuxième conduit 32. De préférence, la température primaire T1 est comprise entre 100 et 220 K (entre -173 et -53 °C). Dans cet exemple, la température primaire T1 est supérieure à 65K (-208°C) afin que celle-ci soit supérieure à la température de solidification du fluide chaud F (dans cet exemple de l’azote).
Le premier conduit 31 permet ainsi un chauffage préliminaire sans risque de solidification du fluide chaud F, la phase liquide du flux de carburant Q étant éliminée de manière pratique.
Le deuxième conduit 32 de recirculation du flux de carburant Q est configuré pour chauffer le flux de carburant recirculé Qr, provenant du premier conduit 31, à une température au moins égale à une température secondaire T2 prédéterminée. La température secondaire T2 est supérieure à la température primaire T1. De préférence, la température secondaire T2 est comprise entre 250 et 350 K.
Comme décrit précédemment, le deuxième conduit 32 est en contact avec le premier conduit 31, via la paroi interne 34, de manière à permettre le chauffage du flux de carburant direct Qd jusqu’à la température primaire T1 dans le premier conduit 31 par le flux de carburant recirculé Qr. Le deuxième conduit 32 est également en contact avec le troisième conduit 33, via la paroi intermédiaire 35, de manière à permettre le chauffage du flux de carburant recirculé Qr jusqu’à la température secondaire T2, au moyen du fluide chaud F, comme cela sera décrit plus en détails par la suite.
Comme décrit précédemment, le deuxième conduit 32 est relié fluidiquement en entrée au premier conduit 31 de manière à permettre l’introduction dans le deuxième conduit 32 du flux de carburant direct Qd préalablement chauffé à la température primaire T1. Le deuxième conduit 32 est relié fluidiquement en sortie à la turbomachine M, de manière à injecter le flux de carburant recirculé Qr chauffé à la température secondaire T2 dans la chambre de combustion de la turbomachine M. Autrement dit, le deuxième conduit 32 est relié fluidiquement en amont au premier conduit 31 et en aval à la turbomachine M.
En effet, la température d’injection du flux de carburant Q dans la turbomachine M doit être de préférence aux alentours de 250K à 300K, en particulier pour limiter les risques de givrage de la vapeur d’eau contenue dans l’air en contact avec les injecteurs carburant dans la chambre à combustion de la turbomachine M. Par suite, la température secondaire T2 du flux de carburant Q en sortie de l’échangeur de chaleur de recirculation 3, plus précisément en sortie du deuxième conduit 32, doit être supérieure à cette plage d’injection étant donné que le fluide chaud F est refroidi lors de son passage dans l’échangeur de chaleur 3, au contact du premier conduit 31.
Comme représenté sur les figures 3 et 4, le flux de carburant direct Qd circule dans le premier conduit 31 selon un premier sens de circulation et le flux de carburant recirculé Qr circule dans le deuxième conduit 32 selon un deuxième sens de circulation. De manière préférée, le deuxième sens de circulation est opposé au premier sens de circulation et
Dans cet exemple, le troisième conduit 33 permet la circulation d’un fluide chaud F. Comme décrit précédemment, le troisième conduit 33 est en contact avec le deuxième conduit 32, via la paroi intermédiaire 35, de manière à permettre le chauffage du flux de carburant recirculé Qr dans le deuxième conduit 32 jusqu’à la température secondaire T2.
Le troisième conduit 33 n’est relié fluidiquement ni au premier conduit 31, ni au deuxième conduit 32, de manière à éviter tout mélange entre le fluide chaud F et le flux de carburant Q.
De préférence, le fluide chaud F est de l’azote, ayant une température de solidification de l’ordre de 63 K (-210°C), ou du dioxyde de carbone, ayant une température de solidification de l’ordre de 217 K (-56°C).
Il va dorénavant être décrit un procédé d’alimentation en carburant d’une turbomachine M, selon un mode de mise en œuvre de l’invention, en référence aux figures 3 et 4. Dans cet exemple, la pompe 2 fait circuler le flux de carburant Q du réservoir cryogénique R dans le circuit de carburant 1 jusqu’à la turbomachine M.
Le procédé est décrit dans cet exemple pour un échangeur de chaleur à recirculation 3 comprenant un unique premier conduit 31 de circulation du flux de carburant direct Qr, un unique deuxième conduit 32 de recirculation du flux de carburant recirculé Qr et un unique troisième conduit 33 de circulation du fluide chaud F.
Dans cet exemple de mise en œuvre, le carburant Q est du dihydrogène et le fluide chaud F circulant dans l’échangeur de chaleur à recirculation 3 est un fluide caloporteur, en l’espèce de l’azote. Ce document présente un exemple dans lequel le fluide chaud F est un fluide caloporteur, cependant il va de soi que le fluide chaud pourrait tout aussi bien être tout fluide issu d’une source chaude disponible à bord de l’aéronef.
Le carburant Q est initialement stocké dans le réservoir cryogénique R à une température de l’ordre de 20 à 22 K (-253 à -251 °C) et se trouve à l’état liquide.
Dans le procédé d’alimentation, en référence à la , le flux de carburant direct Qd, issu du réservoir cryogénique R, entre dans l’enceinte 30 de l’échangeur de chaleur à recirculation 3, où il est introduit dans le premier conduit 31. Le flux de carburant recirculé Qr circule ensuite dans le deuxième conduit 32, puis ressort de l’enceinte 30 de l’échangeur de chaleur à recirculation 3 pour se diriger vers la turbomachine M.
Le procédé comprend une première étape E1 de chauffage du flux de carburant direct Qd dans le premier conduit 31 jusqu’à la température primaire T1, dans cet exemple égale à 100K. Le flux de carburant direct Qd passe alors à l’état gazeux et entre dans le deuxième conduit 32. Un tel état et une telle température permettent de limiter les risques de solidification du fluide chaud F dans le troisième conduit 33, en contact avec le deuxième conduit 32. En sortie du premier conduit 31, le flux de carburant direct Qd est désigné « flux de carburant recirculé Qr ».
Dans une deuxième étape E2, le flux de carburant recirculé Qr circulant dans le deuxième conduit 32 est chauffé jusqu’à la température secondaire T2, dans cet exemple 300 K. Au cours de cette étape, le fluide chaud F circule dans le troisième conduit 33. Plus précisément, le fluide chaud F, initialement à une température par exemple de 550K, transfère des calories au flux de carburant recirculé Qr, via la paroi intermédiaire 35. En transférant des calories, la température du fluide chaud F baisse jusqu’à une température comprise entre 250 et 550 K.
Le flux de carburant recirculé Qr présent dans le deuxième conduit 32 et chauffé à la température secondaire T2 transfère des calories au flux de carburant direct Qd présent dans le premier conduit 31, via la paroi interne 34, permettant de chauffer le flux de carburant direct Qd dans le premier conduit 31 jusqu’à la température primaire T1, pour qu’il passe à l’état gazeux.
Après avoir fourni des calories au premier conduit 31 via la paroi interne 34, le flux de carburant recirculé Qr sort du deuxième conduit 32 et est injecté dans la turbomachine M à une température, dans cet exemple, de l’ordre de 300K empêchant tout givrage des injecteurs.
Dans une deuxième forme de réalisation, représentée sur la , l’échangeur de chaleur à recirculation 3 est de type « échangeur à tubes ».
En référence à la , dans cette forme de réalisation, l’échangeur de chaleur à recirculation 3 comprend une pluralité de premiers conduits 31, une pluralité de deuxièmes conduits 32 et un unique troisième conduit 33. Chaque premier conduit 31 est monté respectivement dans l’un de la pluralité de deuxièmes conduits 32. Par souci de clarté, la présente une vue éclatée de l’échangeur de chaleur à recirculation 3. Dans cet exemple, le flux de carburant direct Qd, à l’état liquide, entre dans chaque premier conduit 31 où il est chauffé jusqu’à la température primaire T1 et passe à l’état gazeux. Chacun des premiers conduits 31 est relié fluidiquement respectivement à l’un des deuxièmes conduits 32. Le flux de carburant recirculé Qr passe alors respectivement dans chacun des deuxièmes conduits 32, où il est chauffé jusqu’à la température secondaire T2, grâce au fluide chaud F qui circule dans le troisième conduit 33, tout autour de la pluralité de deuxièmes conduits 32. Le flux de carburant recirculé Qr présent dans chaque deuxième conduit 32 chauffe le flux de carburant direct Qd présent dans chaque premier conduit 31 et ressort de l’échangeur de chaleur à recirculation 3 pour rejoindre la turbomachine M à une température suffisamment élevée pour éviter tout risque de givrage dans la turbomachine M. Dans cette forme de réalisation, les deuxièmes conduits 32 se présentent sous la forme de canalisations borgnes qui sont baignées dans le troisième conduit 33 dans lequel circule le fluide chaud F.
Dans une troisième forme de réalisation, représentée sur les figures 6 et 7, l’échangeur de chaleur à recirculation 3 est de type « échangeur à plaques ». Dans cet exemple, l’échangeur de chaleur à recirculation 3 comprend plusieurs premiers conduits 31, plusieurs deuxièmes conduits 32 et plusieurs troisièmes conduits 33.
En référence aux figures 6 et 7, dans cette forme de réalisation, l’échangeur de chaleur à recirculation 3 comprend une pluralité de plaques comprenant une alternance de premières plaques et de deuxièmes plaques. Les premières plaques comportent une alternance de premiers conduits 31 et de troisièmes conduits 33 et les deuxièmes plaques comportent un ou plusieurs deuxièmes conduits 32. Autrement dit, chaque deuxième conduit 32 sous forme de plaque, est mitoyen à la fois d’un premier conduit 31 et d’un troisième conduit 33, de manière, d’une part, à prélever des calories au fluide chaud F présent dans chaque troisième conduit 33 pour les transférer au flux de carburant recirculé Qr présent dans chaque deuxième conduit 32 et, d’autre part, à transférer des calories au flux de carburant direct Qd présent dans chaque premier conduit 31, de manière à le chauffer jusqu’à la température primaire T1.
Grâce à l’invention, le carburant est chauffé de manière pratique au moyen d’un unique échangeur de chaleur sans risque de solidification, ce qui permet d’alimenter la turbomachine dans les meilleures conditions.

Claims (12)

  1. Système de conditionnement (SC) de carburant configuré pour alimenter une turbomachine (M) d’aéronef à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R), le système de conditionnement (SC) comprenant :
    • un circuit de carburant (1) relié en entrée au réservoir cryogénique (R) et en sortie à la turbomachine (M), un flux de carburant (Q) circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant (1),
    • au moins un échangeur de chaleur à recirculation (3), monté dans le circuit de carburant (1) et configuré pour transmettre des calories au flux de carburant (Q),
    • l’échangeur de chaleur à recirculation (3) étant caractérisé en ce qu’il comprend une enceinte (30) comprenant :
      • au moins un premier conduit (31) de circulation du flux de carburant (Q), monté dans l’enceinte (30), le premier conduit (31) étant configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) à une température au moins égale à une température primaire (T1) prédéterminée,
      • au moins un deuxième conduit (32) de recirculation du flux de carburant (Q), monté dans l’enceinte (30), le deuxième conduit (32) étant configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) à une température au moins égale à une température secondaire (T2) prédéterminée, la température secondaire (T2) étant supérieure à la température primaire (T1), et
      • au moins un troisième conduit (33) de circulation d’un fluide chaud (F), monté dans l’enceinte (30), le deuxième conduit de circulation (32) étant monté entre le premier conduit (31) et le troisième conduit (33).
  2. Système de conditionnement (SC) de carburant selon la revendication 1 comprenant un unique échangeur de chaleur à recirculation (3).
  3. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le premier conduit (31) et le deuxième conduit (32) de l’échangeur de chaleur à recirculation (3) sont reliés fluidiquement.
  4. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le flux de carburant (Q) circulant dans le premier conduit (31) selon un premier sens de circulation, le flux de carburant (Q) circulant dans le deuxième conduit (32) circule selon un deuxième sens de circulation, opposé au premier sens de circulation.
  5. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier conduit (31) et le deuxième conduit (32) étant coaxiaux, le premier conduit (31) est monté dans le deuxième conduit (32), de manière à former un deuxième conduit (32) périphérique autour du premier conduit (31).
  6. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier conduit (31), le deuxième conduit (32) et le troisième conduit (33) se présentent sous la forme de plaques parallélépipédiques, le deuxième conduit (32) étant adjacent au premier conduit (31) et au troisième conduit (33).
  7. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’échangeur de chaleur à recirculation (3) comprend :
    • une pluralité de premiers conduits (31) configurés pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à une température au moins égale à la température primaire (T1),
    • une pluralité de deuxièmes conduits (32) configurés pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à une température au moins égale à la température secondaire (T2), et
    • au moins un troisième conduit (33), chaque deuxième conduit (32) étant monté respectivement entre l’un de la pluralité de premiers conduits (31) et le troisième conduit (33).
  8. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le flux de carburant (Q) ayant une température de vaporisation, la température primaire (T1) est supérieure à la température de vaporisation.
  9. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le fluide chaud (F) ayant une température de solidification prédéterminée, la température primaire (T1) est supérieure à la température de solidification prédéterminée du fluide chaud (F).
  10. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la température primaire (T1) est comprise entre 100K et 220K.
  11. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la température secondaire (T2) est comprise entre 250K et 350K.
  12. Procédé d’alimentation en carburant d’une turbomachine (M) d’aéronef à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R) au moyen d’un système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 11, un flux de carburant (Q) circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant (1) reliant en entrée le réservoir cryogénique (R) et en sortie la turbomachine (M), le procédé comprenant des étapes consistant à :
    • chauffer le flux de carburant (Q), dans le premier conduit (31), jusqu’à au moins la température primaire (T1),
    • chauffer le flux de carburant (Q), dans le deuxième conduit (32), jusqu’à au moins la température secondaire (T2) supérieure à la température primaire (T1), le premier conduit (31) prélevant des calories dans le flux de carburant (Q) ayant au moins la température secondaire (T2).
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