Brevet FR3123889A1 — publié le 20221216

Un système de conditionnement de carburant (SC) configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique, le système de conditionnement (SC) comprenant un collecteur d’entrée (1) comportant une pluralité d’entrées secondaires (E1-E3), un collecteur de sortie (2) comportant une pluralité de sorties secondaires (S1-S3), chaque entrée secondaire (E1-E3) étant reliée à une sortie secondaire (S1-S3) par une enceinte de compression isochore (C1-C3) dans laquelle circule un flux de carburant (Q) d’amont en aval et un unique échangeur de chaleur (4), dans lequel circule un flux chaud (F) d’amont en aval, configuré pour apporter des calories à chaque enceinte de compression isochore (C1-C3). Figure de l’abrégé : Figure 3 Système et procédé de conditionnement de carburant configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique La présente invention concerne le domaine des aéronefs comportant des turbomoteurs alimentés 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’un turbomoteur, 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 de la vapeur d’eau contenue dans l’air qui circule dans le turbomoteur, en particulier, au niveau des injecteurs de carburant du turbomoteur. En référence à la , il est représenté un système de conditionnement SCAA selon l’art antérieur comprenant un circuit de carburant 100 relié en entrée à un réservoir cryogénique R1 et en sortie à la chambre de combustion CC d’un turbomoteur T. Un flux de carburant Q circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant 100 et traverse successivement une pompe mécanique 101 et un module de chauffage 102. En pratique, pour réaliser le pompage, une pompe mécanique 101 de type volumétrique ou centrifuge peut être utilisée, appelée aussi pompe haute pression, qui fonctionne à des pressions de plusieurs dizaines bars. Une telle pompe mécanique 101 présente de nombreux inconvénients sur le plan de l’étanchéité, de la lubrification et du rendement. Une pompe mécanique 101 requiert notamment une énergie importante pour pouvoir assurer la compression. A ce jour, les pompes mécaniques 101 pouvant être utilisées avec des réservoirs cryogéniques ne permettent pas de fonctionner sur une large gamme de débit/pression pour un rendement élevé. Aussi, en pratique, il est nécessaire d’utiliser une pompe mécanique 101 dont le point de fonctionnement n’est pas optimal et qui requiert de s’éloigner de la plage d’utilisation conseillée de ladite pompe mécanique 101, ce qui augmente les contraintes appliquées à la pompe mécanique 101 et réduit son rendement. Une telle pompe mécanique 101 ne peut ainsi pas adapter son débit de manière optimale en fonction des besoins du turbomoteur. L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients en proposant un nouveau système de conditionnement de carburant permettant une compression et un chauffage avec un meilleur rendement et une plus grande fiabilité. De manière incidente, on connaît dans l’art antérieur un système de mise en pression de carburant dans des réservoirs élémentaires qui sont chacun montés en pression par mise en relation avec un réservoir tampon ayant une haute pression. Le carburant de chaque réservoir élémentaire est ensuite conduit hors du réservoir élémentaire pour être monté en pression par une pompe mécanique et un échangeur de chaleur. La pression nécessaire est importante et impose d’utiliser une pompe mécanique et un échangeur de chaleur de grande capacité. Les inconvénients cités précédemment demeurent. De manière incidente encore, on connaît dans l’art antérieur un système de chauffage de carburant dans un récipient préalablement à son injection dans un réservoir tampon. Le récipient est équipé de nombreux capteurs afin de permettre d’ajouter du fluide froid ou de vider le récipient en cas de montée en température non contrôlée. Une telle architecture présente un risque de refoulement important en sortie du récipient étant donné que le réservoir tampon possède une pression plus élevée que le réservoir d’entrée, ce qui affecte la sécurité. Aussi, il est nécessaire de prévoir une pompe haute pression qui possède les inconvénients précités. En outre, en cas de pression trop élevée et d’activation d’un mécanisme de sécurité, l’alimentation du réservoir tampon doit être stoppée, ce qui impose de surdimensionner le réservoir tampon afin de tenir compte des périodes de non-alimentation. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention concerne un système de conditionnement de carburant configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique, le système de conditionnement comprenant : un collecteur d’entrée comportant une unique entrée primaire, reliée au réservoir cryogénique, et une pluralité d’entrées secondaires reliées fluidiquement à l’entrée primaire, chaque entrée secondaire comprenant une vanne d’entrée, un collecteur de sortie comportant une unique sortie primaire, reliée au turbomoteur, et une pluralité de sorties secondaires reliées fluidiquement à la sortie primaire, chaque sortie secondaire comprenant une vanne de sortie, chaque entrée secondaire étant reliée à une sortie secondaire par une enceinte de compression isochore dans laquelle circule un flux de carburant d’amont en aval et un unique échangeur de chaleur, dans lequel circule un flux chaud d’amont en aval, configuré pour apporter des calories à chaque enceinte de compression isochore. La compression est réalisée de manière isochore et de manière mécanique, ce qui permet d’éliminer les inconvénients relatifs à une pompe mécanique présentés précédemment. En outre, l’utilisation de plusieurs enceintes élémentaires avec un unique échangeur de chaleur permet d’accélérer la compression isochore en augmentant la surface d’échange de chaleur tout en limitant le nombre d’équipements et en améliorant la compacité. Plusieurs enceintes élémentaires permettent de fournir de manière plus rapide un débit élevé de carburant par comparaison à une unique enceinte de grand volume. De plus, grâce à ses collecteurs, le système de conditionnement peut être monté de manière pratique dans un circuit de carburant d’un aéronef tout en demeurant compact. De préférence, les enceintes de compression isochore sont montées en parallèle de manière à traiter un grand débit de fluide en augmentant la surface d’échange. De manière avantageuse, un tel montage favorise la compacité. Selon un aspect préféré de l’invention, chaque enceinte de compression isochore est reliée à un collecteur de dégazage comportant une unique ouverture primaire de dégazage, reliée au réservoir cryogénique, et une pluralité d’ouvertures secondaires de dégazage reliées fluidiquement à l’ouverture primaire de dégazage, chaque ouverture de dégazage secondaire comprenant une vanne de dégazage. Ainsi, la pression interne d’une enceinte de compression isochore peut être abaissée pour permettre d’aspirer un flux de carburant depuis le réservoir cryogénique. Selon un aspect de l’invention, lors du dégazage d’une enceinte de compression isochore, le flux gazeux se détend de manière isenthalpique dans le réservoir cryogénique, ce qui permet d’équilibrer les pressions pour permettre un nouveau cycle d’utilisation en toute sécurité. En particulier, la pression augmente dans le réservoir cryogénique et baisse dans les enceintes de compression isochore, ce qui permet de réaliser une aspiration du flux de carburant sans recourir à une pompe. De préférence, chaque enceinte de compression isochore est reliée à une ouverture secondaire de dégazage. Ainsi, chaque enceinte de compression isochore peut être dégazée de manière pratique. De manière préférée, l’échangeur de chaleur comporte une calandre dans laquelle circule le flux chaud, les enceintes de compression isochore s’étendant au moins en partie dans la calandre. L’utilisation d’une calandre permet de former un échangeur de volume important dans lequel sont baignés les enceintes de compression isochore pour échanger de la chaleur. De préférence, l’échangeur de chaleur comporte une pluralité d’organes de déviation, montés dans la calandre, de manière à guider la circulation du flux chaud. Selon un aspect de l’invention, au moins une enceinte de compression isochore comporte un faisceau de conduites élémentaires. L’utilisation d’un faisceau de conduites élémentaires permet d’augmenter de manière importante la surface d’échange tout en limitant le nombre de vannes pour une enceinte de compression isochore. De manière avantageuse, le faisceau de conduites élémentaires est solidarisé à la calandre de manière à assurer la reprise des efforts mécaniques. De préférence, chaque enceinte de compression isochore est une enceinte rigide, l’échangeur de chaleur comportant plusieurs branches de chauffage qui s’étendent dans les enceintes rigides de manière à permettre le transfert de calories par circulation du flux chaud. Ainsi, de manière inverse à précédemment, les branches de chauffage sont baignées dans le flux carburant circulant dans l’enceinte rigide. Grâce à l’enceinte rigide, il est possible d’augmenter la pression de carburant de manière importante, ce qui est avantageux pour répondre aux besoins du turbomoteur. De manière préférée, les branches de chauffage sont montées en parallèle afin de chauffer chaque enceinte de compression isochore de manière analogue. L’invention concerne également un ensemble d’au moins un réservoir cryogénique, d’un turbomoteur d’aéronef et d’un système de conditionnement, tel que présenté précédemment, reliant fluidiquement le réservoir cryogénique et le turbomoteur d’aéronef. L’invention concerne également un procédé de conditionnement en carburant d’un turbomoteur d’aéronef à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique au moyen d’un système de conditionnement, tel que présenté précédemment, procédé dans lequel : les enceintes de compression isochore réalisent une compression isochore du flux de carburant issu du réservoir cryogénique par apport de calories de l’échangeur de chaleur dans lequel circule un flux chaud, les enceintes de compression isochore alimentent le turbomoteur avec un flux de carburant qui a été chauffé et dont la pression a été augmentée. De manière préférée, au moins deux enceintes de compression isochore sont commandées de manière déphasée. 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 système de conditionnement en carburant selon l’art antérieur. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement en carburant selon l’invention. La est une représentation schématique rapprochée du système de conditionnement de la . La est une représentation schématique d’une enceinte de compression isochore au cours d’une étape de remplissage. La est une représentation schématique d’une enceinte de compression isochore au cours d’une étape de compression isochore. La est une représentation schématique d’une enceinte de compression isochore au cours d’une étape de détente. La est une représentation schématique d’une enceinte de compression isochore au cours d’une étape de dégazage. La est une variante de l’invention dans laquelle l’enceinte de compression isochore comporte un faisceau de conduites élémentaires. La est une variante de l’invention dans laquelle l’échangeur de chaleur comporte une pluralité d’organes de déviation du flux chaud. La est une variante de l’invention dans laquelle chaque enceinte de compression isochore est chauffée par un échangeur de chaleur comportant des branches de chauffage parallèles. 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. Système de conditionnement de carburant (SC) configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef (T) à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1), le système de conditionnement (SC) comprenant : un collecteur d’entrée (1) comportant une unique entrée primaire (E0), reliée au réservoir cryogénique (R1), et une pluralité d’entrées secondaires (E1-E3) reliées fluidiquement à l’entrée primaire (E0), chaque entrée secondaire (E1-E3) comprenant une vanne d’entrée (VE1-VE3), un collecteur de sortie (2) comportant une unique sortie primaire (S0), reliée au turbomoteur (T), et une pluralité de sorties secondaires (S1-S3) reliées fluidiquement à la sortie primaire (S0), chaque sortie secondaire (S1-S3) comprenant une vanne de sortie (VS1-VS3), chaque entrée secondaire (E1-E3) étant reliée à une sortie secondaire (S1-S3) par une enceinte de compression isochore (C1-C3) dans laquelle circule un flux de carburant (Q) d’amont en aval et un unique échangeur de chaleur (4), dans lequel circule un flux chaud (F) d’amont en aval, configuré pour apporter des calories à chaque enceinte de compression isochore (C1-C3). Système de conditionnement (SC) selon la revendication 1, dans lequel les enceintes de compression isochore (C1-C3) sont montées en parallèle. Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel chaque enceinte de compression isochore (C1-C3) est reliée à un collecteur de dégazage (3) comportant une unique ouverture primaire de dégazage (D0), reliée au réservoir cryogénique (R1), et une pluralité d’ouvertures secondaires de dégazage (D1-D3) reliées fluidiquement à l’ouverture primaire de dégazage (D0), chaque ouverture de dégazage secondaire (D1-D3) comprenant une vanne de dégazage (VD1-VD3). Système de conditionnement (SC) selon la revendication 3, dans lequel chaque enceinte de compression isochore (C1-C3) est reliée à une ouverture secondaire de dégazage (D1-D3). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’échangeur de chaleur (4) comporte une calandre (40) dans laquelle circule le flux chaud (F), les enceintes de compression isochore (C1-C3) s’étendant au moins en partie dans la calandre (40). Système de conditionnement (SC) selon la revendication 5, dans lequel l’échangeur de chaleur (4) comporte une pluralité d’organes de déviation (43), montés dans la calandre (40), de manière à guider la circulation du flux chaud (F). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel au moins une enceinte de compression isochore (C1-C3) comporte un faisceau de conduites élémentaires (C1f-C3f). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel chaque enceinte de compression isochore (C1-C3) est une enceinte rigide (C1r-C3r), l’échangeur de chaleur (4) comportant plusieurs branches de chauffage (44) qui s’étendent dans les enceintes rigides (C1r-C3r) de manière à permettre le transfert de calories par circulation du flux chaud (F). Système de conditionnement (SC) selon la revendication 8, dans lequel les branches de chauffage (44) sont montées en parallèle. Ensemble d’au moins un réservoir cryogénique (R1), d’un turbomoteur d’aéronef (T) et d’un système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications précédentes reliant fluidiquement le réservoir cryogénique (R1) et le turbomoteur d’aéronef (T). Procédé de conditionnement en carburant d’un turbomoteur d’aéronef (T) à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1) au moyen d’un système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 9, procédé dans lequel : les enceintes de compression isochore (C1-C3) réalisent une compression isochore du flux de carburant (Q) issu du réservoir cryogénique (R1) par apport de calories de l’échangeur de chaleur (4) dans lequel circule un flux chaud (F), les enceintes de compression isochore (C1-C3) alimentent le turbomoteur (T) avec un flux de carburant (Q) qui a été chauffé et dont la pression a été augmentée. Procédé de conditionnement (SC) selon la revendication 11, dans lequel au moins deux enceintes de compression isochore (C1-C3) sont commandées de manière déphasée.