Brevet FR3113702A1 — publié le 20220304

L'invention concerne un ensemble de stockage (10) de carburant cryogénisé comportant - un réservoir (12) dans lequel du carburant est présent sous forme liquide et sous forme gazeuse, la forme gazeuse résultant de l'évaporation du carburant sous forme liquide, - un circuit de carburant liquide (14) reliant le réservoir (12) à des composants destinés à être alimentés en carburant sous forme liquide, qui comporte une pompe (16) de pressurisation du carburant liquide - un circuit de carburant gazeux (20) prélevant du carburant sous forme gazeux depuis le réservoir (12), caractérisé en ce qu'il comporte un organe d'échange de chaleur (24) alimenté par le circuit de carburant liquide (14) et par le circuit de carburant gazeux (20), dans lequel le carburant sous forme liquide et le carburant sous forme gazeuse sont aptes à échanger de la chaleur pour provoquer une condensation au moins partielle du carburant gazeux prélevé. Figure pour l’abrégé : Figure 1 CIRCUIT DE CARBURANT CRYOGENIQUE A RECONDENSATION L'invention concerne un ensemble de stockage de carburant cryogénique comportant un réservoir de carburant et des moyens de gestion du carburant sous phase gazeuse dans le réservoir, qui résulte de l'évaporation du carburant liquide. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Certains aéronefs utilisent un carburant porté à très basse température pour leur fonctionnement, notamment en raison d'un impact environnemental réduit par rapport à un carburant à température ambiante. Ce carburant cryogénisé est stocké dans un réservoir isolé thermiquement permettant de maintenir la température du carburant la plus basse possible. Cependant, du fait de la différence de température avec l'extérieur du réservoir, de la chaleur pénètre le réservoir et réchauffe alors de carburant. Une partie du carburant s'évapore alors, ce qui fait que le carburant est présent dans le réservoir sous forme liquide et sous forme gazeuse. Au fur et à mesure que la chaleur pénètre dans le réservoir, le carburant s'évapore progressivement, ce qui augmente la pression de carburant gazeux à l'intérieur du réservoir. Il est alors prévu un système de régulation de la quantité de carburant gazeux, afin de limiter la pression dans le réservoir. De tels systèmes de régulation comportent par exemple un échangeur thermique au travers duquel le carburant gazeux circule pour être refroidi et ainsi se condenser. La source froide de l'échangeur thermique est une source externe au dispositif, ce qui ce qui complexifie le système et alourdit le dispositif sur lequel le système est destiné à être monté. L'invention a pour but de proposer un ensemble de stockage comportant des moyens de régulation de la quantité de carburant gazeux présent à l'intérieur du réservoir qui ne comporte pas de source froide externe. L'invention propose un ensemble de stockage de carburant cryogénisé pour une turbomachine d’aéronef comportant - un réservoir dans lequel du carburant est présent sous forme liquide et sous forme gazeuse, la forme gazeuse résultant de l'évaporation du carburant sous forme liquide, - un circuit de carburant liquide reliant le réservoir à des composants destinés à être alimentés en carburant sous forme liquide, le circuit de carburant liquide comportant une pompe de pressurisation du carburant liquide, - un circuit de carburant gazeux prélevant du carburant sous forme gazeux depuis le réservoir, caractérisé en ce qu'il comporte un organe d'échange de chaleur alimenté par le circuit de carburant liquide et par le circuit de carburant gazeux, dans lequel le carburant sous forme liquide provenant du circuit de carburant liquide et le carburant sous forme gazeuse provenant du circuit de carburant gazeux sont aptes à échanger de la chaleur pour provoquer une condensation au moins partielle du carburant gazeux provenant du circuit de carburant gazeux. Selon un tel ensemble, le flux de carburant gazeux est refroidi par le carburant liquide. L'échange de chaleur se fait en interne, ce qui rend l'ensemble plus simple à intégrer dans une structure telle que celle d'un aéronef. De préférence, l'organe d'échange de chaleur comporte une chambre de mélange dans laquelle le flux de carburant gazeux est injecté dans le flux de carburant liquide. De préférence, le circuit de carburant gazeux comporte un compresseur en sortie duquel la pression du carburant gazeux est égale à une pression prédéterminée. De préférence, la pression du carburant gazeux en sortie du compresseur est égale à la pression du carburant liquide en sortie de la pompe de pressurisation du carburant liquide. De préférence, l'organe d'échange de chaleur comporte en outre un échangeur de chaleur agencé en amont de la chambre de mélange et dans lequel le flux de carburant liquide prélève de la chaleur à partir du carburant gazeux. De préférence, l'organe d'échange de chaleur comporte un échangeur de chaleur dans lequel le flux de carburant liquide prélève de la chaleur à partir du carburant gazeux. De préférence, le circuit de carburant gazeux comporte un compresseur en sortie duquel la pression du carburant gazeux est égale à une pression prédéterminée supérieure à la pression de carburant liquide en sortie de la pompe de pressurisation. De préférence, le circuit de carburant gazeux comporte une vanne de détente agencée en aval de l'échangeur de chaleur, en sortie de laquelle la pression de carburant gazeux est sensiblement égale à la pression de carburant gazeux dans le réservoir. L'invention propose aussi un aéronef comportant au moins une turbomachine et un ensemble de stockage selon l'invention, alimentant ladite au moins une turbomachine en carburant liquide. L'invention propose aussi un procédé de régulation de la quantité de carburant sous forme gazeuse présente à l'intérieur du réservoir d'un ensemble de stockage selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de prélèvement de carburant sous forme gazeux depuis le réservoir, pour le faire circuler dans un circuit de carburant liquide, - une étape de condensation d'au moins une partie du carburant sous forme gazeux prélevé. De préférence, le procédé comporte une étape de compression du carburant gazeux qui est mise en œuvre avant l'étape de condensation. De préférence, l'étape de condensation consiste en une étape de mélange du carburant gazeux dans le flux de carburant liquide. De préférence, l'étape de condensation consiste en une étape d'échange de chaleur entre le carburant gazeux et le carburant liquide. De préférence, le procédé comporte une étape de détente du carburant condensé au moins partiellement, qui est mise en œuvre après l'étape de condensation. est une représentation schématique d'un ensemble de stockage d'un carburant cryogénisé réalisant la régulation de la quantité de carburant gazeux selon l'invention. est une représentation schématique d'un ensemble de stockage d'un carburant cryogénisé réalisant la régulation de la quantité de carburant gazeux selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. est une représentation schématique d'un exemple de chambre de mélange mise en œuvre dans le deuxième mode de réalisation de l'invention. est une représentation schématique d'un autre exemple de chambre de mélange mise en œuvre dans le deuxième mode de réalisation de l'invention. est une représentation schématique d'un ensemble de stockage d'un carburant cryogénisé réalisant la régulation de la quantité de carburant gazeux selon une variante du mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 2. On a représenté à la figure 1 un ensemble de stockage 10 de carburant cryogénisé, destiné par exemple à alimenter les turbomachines d'un aéronef. Dans cet ensemble de stockage, le carburant est porté à une très basse température, par exemple proche de zéro degrés Celsius ou très inférieure dans le cas de l'hydrogène liquide, et il est conservé dans un réservoir 12 isolant thermiquement pour le maintenir à cette basse température. A l'intérieur du réservoir 12, le carburant est présent sous forme liquide et sous forme gazeuse. Le carburant liquide alimente la ou les turbomachines de l'aéronef par l'intermédiaire d'un circuit de carburant liquide 14. Le circuit de carburant liquide 14 comporte une pompe 16 de pressurisation du carburant liquide, elle-même étant alimentée par des pompes de gavage 18 disposées à l'intérieur du réservoir 12. Le réchauffement du carburant dans le réservoir 12, provoqué par la différence entre la température de l'air ambiant et la température du carburant dans le réservoir 12, se traduit par une évaporation d'une partie du carburant. La pression de carburant gazeux dans le réservoir 12 est donc amenée à augmenter progressivement. L'ensemble de stockage 10 comporte aussi un circuit de carburant gazeux 20 permettant de réguler la quantité de carburant sous forme gazeuse présente à l'intérieur du réservoir 12. Le circuit de carburant gazeux 20 comporte un compresseur 22 permettant d'augmenter la pression et la température du carburant gazeux dans le circuit de carburant gazeux 20 et un organe d'échange de chaleur 24 permettant de refroidir ce carburant gazeux, pour provoquer sa condensation. Selon l'invention, l'organe d'échange de chaleur 24 est conçu pour que le carburant gazeux comprimé par le compresseur 22 échange de la chaleur avec le carburant liquide s'écoulant dans le circuit de carburant liquide 14. Le carburant liquide prélève alors de la chaleur depuis le carburant gazeux, ce qui provoque à la fois une condensation du carburant gazeux et une augmentation de la chaleur du carburant liquide avant que ce carburant liquide alimente la ou les turbomachines. Selon un premier mode de réalisation représenté à la figure 1, l'organe d'échange de chaleur 24 consiste en un échangeur de chaleur à flux séparés. Le flux de carburant gazeux circule dans la partie chaude 26 de l'échangeur de chaleur 50, le flux de carburant liquide circule dans la partie froide 28 de l'échangeur de chaleur 50, sans se mélanger l'un à l'autre. En sortie de l'échangeur de chaleur 50, le carburant gazeux ayant perdu de la chaleur a été refroidit et s'est condensé. La compression du liquide par le compresseur 22 combinée au fait que la température du carburant gazeux sortant de l'échangeur de chaleur 50 n'est pas parfaitement égale à la température du carburant liquide sortant de l’échangeur de chaleur 50, induit que la température du carburant gazeux sortant de l'échangeur de chaleur 50 peut avoir une température supérieure à la température du carburant liquide présent dans le réservoir. A titre d'exemple non limitatif, le carburant gazeux, après s'être condensé présente une température supérieure d'environ 5K (Kelvin) par rapport à la température du carburant liquide présent dans le réservoir. Le flux de carburant gazeux qui sort de l'échangeur de chaleur, qui a été refroidi et condensé, circule alors au travers d'une vanne de détente 30 par laquelle sa pression et sa température sont abaissées pour que la pression du carburant en sortie de la vanne de détente 30 soit égale à la pression du carburant gazeux dans le réservoir 12. La détente provoque l'évaporation d'une partie du carburant liquide qui s'était condensé dans l'échangeur de chaleur 50, mais la température du mélange à deux phases est abaissée. La température et la pression du fluide qui sort de la vanne de détente 30 sont sensiblement identiques à la température et la pression du liquide présent dans le réservoir. Ce fluide sortant de la vanne de détente 30 contient en outre une faible proportion de gaz, notamment inférieure à 10%, alors que ce fluide était 100% gazeux lors qu’il a été extrait du réservoir. Ce fluide étant en outre potentiellement plus chaud que la température du liquide présent dans le réservoir. Les pressions de carburant gazeux et de carburant liquide circulant respectivement dans le flux circuit de carburant gazeux 20 et dans le circuit de carburant liquide 14, sont régulées pour favoriser l'échange de chaleur, notamment pour augmenter le sous refroidissement du liquide. A titre d'exemple non limitatif, la pression de carburant liquide en sortie de la pompe 16 est au moins égale à 10 bars et la pression de carburant gazeux en sortie du compresseur 22 est comprise entre 4 et 8 bars. On a représenté à la figure 2 un autre mode de réalisation de l'invention selon lequel l'organe d'échange de chaleur 24 consiste en une chambre de mélange 52. Le carburant gazeux introduit dans la chambre de mélange 52 est à une température supérieure à la température du carburant liquide introduit dans la chambre de mélange 52. En se mélangeant au carburant liquide dans la chambre de mélange 52, le carburant gazeux échange de la chaleur directement avec le carburant liquide auquel il est mélangé. La pompe 16 et le compresseur 22 sont configurés pour que les débits et pressions du carburant gazeux et du carburant liquide permettent la condensation de la totalité du carburant gazeux injecté, tout en évitant la vaporisation du carburant liquide. De plus, la pression du carburant gazeux injecté dans la chambre de mélange 52 est de préférence identique à la pression du carburant liquide. Selon un exemple de réalisation préféré, mais non limitatif, la pression du carburant gazeux et la pression du carburant liquide injectés dans la chambre de mélange 52 sont d'environ 10 bars. Cette valeur de pressions, dans le cas de l'hydrogène en tant que carburant, permet d'incorporer une quantité de carburant gazeux proche de 20% du débit de carburant liquide. Ici encore, en passant au travers du compresseur 22 pour atteindre la pression prédéfinie, la température du carburant gazeux augmente et devient supérieure à la température du carburant liquide en sortie de la pompe 16. En se mélangeant au carburant liquide, le carburant gazeux est alors refroidi et se condense. Ainsi, en sortie de la chambre de mélange 52, la totalité du carburant se présente sous forme liquide, sa température étant supérieure à la température du carburant liquide en sortie de la pompe 16 et inférieure à la température du carburant gazeux en sortie du compresseur 22. On a représenté aux figures 3 et 4 deux exemples non limitatifs de modes de réalisation de la chambre de mélange 52. Selon le mode représenté à la figure 3, la chambre de mélange 52 comporte une conduite tubulaire 34 au travers de laquelle le carburant liquide circule et un tube d'entrée de gaz 36 qui s'étend en partie dans la conduite tubulaire 34. L'extrémité 38 du tube d'entrée de gaz 36 qui s'étend dans la conduite tubulaire 34 est débouchante et comporte une pluralité d'orifices 40 qui permettent de mélanger le plus efficacement possible le carburant gazeux au carburant liquide sous la forme de fines bulles 42, favorisant ainsi le transfert de chaleur. Une telle chambre de mélange 52 est connue sous la dénomination "gas sparger". Selon le mode de réalisation représenté à la figure 4, la chambre de mélange 52 comporte deux entrées coaxiales 44, 46, chacune associée au carburant liquide ou au carburant gazeux. Une réduction de section 48 est située en aval des entrées 44, 46, pour provoquer une accélération du carburant liquide et favoriser l'aspiration de carburant gazeux. Une telle chambre de mélange 52 est connue sous la dénomination "jet ejector". Quel que soit le mode de réalisation de l'organe d'échange de chaleur 24, le compresseur 22 est conçu de manière à maintenir la pression de carburant gazeux dans le réservoir à une pression prédéfinie dite de consigne. Par conséquent, il prélève en continuité du carburant gazeux depuis le réservoir. On a représenté à la figure 5 une variante de réalisation de l'organe d'échange de chaleur 24 comportant une chambre de mélange 52 combinée à un échangeur thermique 50. Selon cette variante, le carburant gazeux et le carburant liquide sont d'abord portés à une même pression par l'intermédiaire du compresseur 22 et de la pompe 16, ils sont alors amenés vers un échangeur thermique 50 pour être portés à une même température. Les deux flux de carburant sortant de l'échangeur thermique sont ensuite mélangés dans la chambre de mélange 52. En circulant dans l'échangeur thermique 50, le carburant gazeux est refroidi, il se condense alors. En sortie de l'échangeur thermique 50, les deux flux de carburant sont sous la forme liquide et à des températures proches. Le mélange des deux flux de carburant liquide est alors simplifié par rapport à un mélange d'un flux de carburant gazeux avec un flux de carburant liquide. La régulation de la quantité de carburant sous forme gazeuse présente à l'intérieur du réservoir 12 s'effectue ainsi selon un procédé comportant: - une étape de prélèvement de carburant sous forme gazeux depuis le réservoir 12, pour le faire circuler dans le circuit de carburant gazeux 20 et - une étape de condensation d'au moins une partie du carburant sous forme gazeux prélevé. Ce procédé comporte notamment une étape de compression du carburant gazeux qui est mise en œuvre avant l'étape de condensation. Comme on l'a montré précédemment, selon les modes de réalisation représentés aux figures 2 et suivantes l'étape de condensation consiste en une étape de mélange du carburant gazeux dans le flux de carburant liquide, par l'intermédiaire de la chambre de mélange 52. Plus généralement, l'étape de condensation consiste en une étape d'échange de chaleur entre le carburant gazeux et le carburant liquide. Le procédé comporte aussi une étape de détente du carburant condensé au moins partiellement, qui est mise en œuvre après l'étape de condensation, en sortie de l'échangeur de chaleur 50, par l'intermédiaire de la vanne de détente 30. Ensemble de stockage (10) de carburant cryogénisé pour une turbomachine d’aéronef comportant - un réservoir (12) dans lequel du carburant est présent sous forme liquide et sous forme gazeuse, la forme gazeuse résultant de l'évaporation du carburant sous forme liquide, - un circuit de carburant liquide (14) reliant le réservoir (12) à des composants destinés à être alimentés en carburant sous forme liquide, le circuit de carburant liquide (14) comportant une pompe (16) de pressurisation du carburant liquide, - un circuit de carburant gazeux (20) prélevant du carburant sous forme gazeux depuis le réservoir (12), caractérisé en ce qu'il comporte un organe d'échange de chaleur (24) alimenté par le circuit de carburant liquide (14) et par le circuit de carburant gazeux (20), dans lequel le carburant sous forme liquide provenant du circuit de carburant liquide (14) et le carburant sous forme gazeuse provenant du circuit de carburant gazeux (20) sont aptes à échanger de la chaleur pour provoquer une condensation au moins partielle du carburant gazeux provenant du circuit de carburant gazeux (20). Ensemble de stockage (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe d'échange de chaleur (24) comporte une chambre de mélange (52) dans laquelle le flux de carburant gazeux est injecté dans le flux de carburant liquide. Ensemble de stockage (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de carburant gazeux (20) comporte un compresseur (22) en sortie duquel la pression du carburant gazeux est égale à une pression prédéterminée. Ensemble de stockage (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pression du carburant gazeux en sortie du compresseur (22) est égale à la pression du carburant liquide en sortie de la pompe (16) de pressurisation du carburant liquide. Ensemble de stockage (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe d'échange de chaleur (24) comporte en outre un échangeur de chaleur (50) agencé en amont de la chambre de mélange (52) et dans lequel le flux de carburant liquide prélève de la chaleur à partir du carburant gazeux. Ensemble de stockage (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe d'échange de chaleur (24) comporte un échangeur de chaleur (50) dans lequel le flux de carburant liquide prélève de la chaleur à partir du carburant gazeux. Ensemble de stockage (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de carburant gazeux (20) comporte un compresseur (22) en sortie duquel la pression du carburant gazeux est égale à une pression prédéterminée supérieure à la pression de carburant liquide en sortie de la pompe (16) de pressurisation. Ensemble de stockage (10) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le circuit de carburant gazeux (20) comporte une vanne de détente (30) agencée en aval de l'échangeur de chaleur (50), en sortie de laquelle la pression de carburant gazeux est sensiblement égale à la pression de carburant gazeux dans le réservoir (12). Aéronef comportant au moins une turbomachine et un ensemble de stockage (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, alimentant ladite au moins une turbomachine en carburant liquide. Procédé de régulation de la quantité de carburant sous forme gazeuse présente à l'intérieur du réservoir (12) d'un ensemble de stockage (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de prélèvement de carburant sous forme gazeux depuis le réservoir (12), pour le faire circuler dans un circuit de carburant liquide (14), - une étape de condensation d'au moins une partie du carburant sous forme gazeux prélevé. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de compression du carburant gazeux qui est mise en œuvre avant l'étape de condensation. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'étape de condensation consiste en une étape de mélange du carburant gazeux dans le flux de carburant liquide. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'étape de condensation consiste en une étape d'échange de chaleur entre le carburant gazeux et le carburant liquide. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détente du carburant condensé au moins partiellement, qui est mise en œuvre après l'étape de condensation.