Brevet FR3126025A1 — publié le 20230210

Un système de conditionnement de carburant (SC) configuré pour alimenter une turbomachine principale (T), à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1), comprenant une pompe (1) configurée pour fonctionner à un régime constant prédéterminé, au moins un échangeur de chaleur (3), un organe d’alimentation (6) de la turbomachine principale (T) avec un flux de carburant (Q), l’organe d’alimentation (6) définissant une section de passage prédéterminée, l’organe d’alimentation (6) étant configuré pour fournir un débit d’alimentation nominal lorsque la pompe (1) fonctionne à un régime constant prédéterminé, au moins un réservoir tampon (4), une première vanne (V1) de contrôle de l’alimentation du réservoir tampon (4), une deuxième vanne (V2) de contrôle de la distribution du flux de carburant (Q) et un dispositif de régulation (5) configuré pour ouvrir la deuxième vanne (V2) lorsque le débit de consigne est supérieur au débit d’alimentation nominal. Figure de l’abrégé : Figure 2 Système de conditionnement de carburant pour alimenter une turbomachine d’aéronef, aéronef et procédé d’utilisation La présente invention concerne le domaine des aéronefs comportant des 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 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 100 relié en entrée à un réservoir cryogénique R1 et en sortie à la chambre de combustion CC d’une turbomachine T. Un flux de carburant Q circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant 100 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 est généralement utilisée. Une telle pompe mécanique 101 présente de nombreux inconvénients sur le plan du rendement. Une pompe mécanique 101 ne permet 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 de la turbomachine T. A titre d’exemple, pour un avion de transport civil, le débit de consigne de la turbomachine T dans une phase de décollage peut être plus de trois fois supérieur au débit de consigne dans une phase de croisière. De plus, la pression de refoulement d’une pompe mécanique 101 se réduit à mesure que le débit augmente, ce qui va à l’encontre du besoin de la turbomachine T pour laquelle la pression d’injection et le débit injecté croissent tous deux avec la poussée générée. 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 opérabilité. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention concerne un système de conditionnement de carburant configuré pour alimenter une turbomachine d’aéronef, dite turbomachine principale, à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique, la turbomachine principale ayant un débit de consigne de carburant qui est fonction de la phase de déplacement de l’aéronef, le système de conditionnement comprenant : un circuit de carburant relié en entrée au réservoir cryogénique et en sortie à la turbomachine principale, une pompe configurée pour faire circuler un flux de carburant d’amont en aval dans le circuit de carburant, la pompe étant configurée pour fonctionner à un régime constant prédéterminé, au moins un échangeur de chaleur configuré pour transmettre des calories issues d’une source chaude au flux de carburant via un circuit de chauffage, un organe d’alimentation de la turbomachine principale avec un flux de carburant, l’organe d’alimentation définissant une section de passage prédéterminée, l’organe d’alimentation étant configuré pour fournir un débit d’alimentation nominal lorsque la pompe fonctionne à un régime constant prédéterminé, au moins un réservoir tampon configuré pour alimenter la turbomachine principale parallèlement à l’organe d’alimentation, le réservoir tampon étant configuré pour être alimenté par un flux de carburant, au moins une première vanne de contrôle de l’alimentation du réservoir tampon en flux de carburant, au moins une deuxième vanne de contrôle de la distribution du flux de carburant issu du réservoir tampon, et un dispositif de régulation configuré pour ouvrir la deuxième vanne lorsque le débit de consigne est supérieur au débit d’alimentation nominal. Par la suite, par régime/débit constant prédéterminé, on entend un régime/débit dont la variation n’excède pas +/-10% par rapport à une valeur de régime/débit déterminée. Grâce à l’invention, on peut utiliser une pompe de conception simple et peu onéreuse étant donné qu’elle fonctionne à un régime constant prédéterminé. De manière avantageuse, le système de conditionnement peut suivre le débit de consigne en régulant de manière dynamique la distribution du carburant du réservoir tampon, en particulier, au cours d’une phase de décollage dans laquelle les besoins en carburant sont élevés. De préférence, l’échangeur de chaleur est positionné en amont du réservoir tampon. De manière alternative, l’échangeur de chaleur est positionné en aval du réservoir tampon. De préférence, le dispositif de régulation est configuré pour fermer la deuxième vanne lorsque le débit de consigne est inférieur au débit d’alimentation nominal. Ainsi, le carburant du réservoir tampon est utilisé avec parcimonie, de préférence, uniquement lors d’une phase de décollage. De préférence encore, le dispositif de régulation est configuré pour fermer la première vanne lorsque le débit de consigne est supérieur au débit d’alimentation nominal. Ainsi, l’organe d’alimentation permet de fournir le débit d’alimentation nominal. De préférence, la première vanne ayant un degré d’ouverture paramétrable, le dispositif de régulation est configuré pour faire varier le degré d’ouverture de la première vanne en fonction d’une comparaison entre le débit d’alimentation nominal et le débit de consigne. De manière préférée, le degré d’ouverture obéit à une loi d’ouverture déterminée f du type f(d6n – dT). De manière avantageuse, le surplus de carburant est stocké de manière dynamique dans le réservoir tampon, ce qui est très avantageux. Ainsi, lorsque l’écart est faible, le réservoir tampon se remplit de manière douce pour absorber le surplus de débit. Cela permet d’éviter d’utiliser la pompe avec un régime trop élevé. A l’inverse, lorsque l’écart est important, le réservoir tampon se remplit de manière rapide pour absorber le surplus de débit. Le réservoir tampon dispose ainsi de suffisamment de carburant pour assurer une nouvelle phase de décollage. De manière alternative, le dispositif de régulation est configuré pour ouvrir la première vanne selon un premier degré d’ouverture lorsque la différence entre le débit d’alimentation nominal et le débit de consigne est inférieure à un écart prédéterminé. Ainsi, lorsque l’écart est faible, le réservoir tampon se remplit de manière douce pour absorber le surplus de débit. Cela permet d’éviter d’utiliser la pompe avec un régime trop élevé. De manière alternative, le dispositif de régulation est configuré pour ouvrir la première vanne selon un deuxième degré d’ouverture, supérieur au premier degré d’ouverture, lorsque la différence entre le débit d’alimentation nominal et le débit de consigne est supérieure à l’écart prédéterminé. Ainsi, lorsque l’écart est important, le réservoir tampon se remplit de manière rapide pour absorber le surplus de débit. Le réservoir tampon dispose ainsi de suffisamment de carburant pour assurer une nouvelle phase de décollage Selon un aspect de l’invention, le système de conditionnement de carburant comprend au moins un échangeur de chaleur auxiliaire monté entre la deuxième vanne et la turbomachine principale de manière à chauffer le flux de carburant préalablement à son injection dans la turbomachine principale. Ainsi, le refroidissement du carburant du réservoir tampon suite à sa détente thermodynamique peut être compensé de manière à injecter du carburant dans la turbomachine principale avec une température optimale, de préférence, constante. De manière préférée, la source chaude est un dispositif de génération de puissance auxiliaire alimenté par le circuit de carburant. Ainsi, la source chaude est autonome. De préférence, le dispositif de génération de puissance auxiliaire est configuré pour fonctionner à régime constant, en particulier, sur une plage de fonctionnement réduite. Cela permet de limite son coût et son encombrement. De manière préférée, le dispositif de génération de puissance auxiliaire est une turbomachine auxiliaire ou une pile à combustible. Une pile à combustible possède un rendement élevé sur une plage de fonctionnement réduite, ce qui rend son utilisation très pertinente dans ce contexte. De préférence, le système de conditionnement de carburant comprend au moins un organe propulsif et un système d’entrainement dudit organe propulsif, le système d’entrainement étant configuré pour être alimenté par la turbomachine principale et par le dispositif de génération de puissance auxiliaire. La puissance du dispositif de génération de puissance auxiliaire peut être mise à profit afin de réduire la puissance de la turbomachine principale qui peut ainsi posséder une structure moins encombrante et onéreuse. De préférence, le carburant est du dihydrogène. Un tel carburant est particulièrement adapté pour une pile à combustible. De manière préférée, le débit d’alimentation nominal est déterminé pour être supérieur au débit de consigne en phase de croisière et inférieur au débit de consigne en phase de décollage. Ainsi, il existe toujours un surplus de débit pour remplir le réservoir tampon en phase de croisière. L’invention concerne également un aéronef comprenant un système de conditionnement tel que présenté précédemment. L’invention concerne également un procédé d’alimentation en carburant d’une turbomachine d’aéronef, dite turbomachine principale, à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique, la turbomachine principale ayant un débit de consigne de carburant, qui est fonction de la phase de déplacement de l’aéronef, le procédé comprenant des étapes consistant à : faire circuler un flux de carburant d’amont en aval dans un circuit de carburant au moyen d’une pompe fonctionnant à un régime constant prédéterminé, la pompe fournissant un débit d’alimentation nominal, transmettre des calories issues d’une source chaude au flux de carburant via un circuit de chauffage, vider un réservoir tampon, alimenté par le circuit de carburant, lorsque le débit de consigne est supérieur au débit d’alimentation nominal. De préférence, le procédé comporte une étape consistant à alimenter le réservoir tampon en carburant lorsque le débit de consigne est inférieur au débit d’alimentation nominal. De préférence, le procédé comporte une étape consistant à faire varier l’alimentation du réservoir tampon en fonction d’une comparaison entre le débit d’alimentation nominal et le débit de consigne. L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un système de conditionnement en carburant tel que présenté précédemment, la turbomachine principale ayant un débit de consigne qui est fonction de la phase de déplacement de l’aéronef, la pompe fonctionnant à un régime constant prédéterminé, le procédé comprenant au moins une étape consistant à ouvrir la deuxième vanne lorsque le débit de consigne est supérieur au débit d’alimentation nominal. 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 de carburant selon l’art antérieur. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une première forme de réalisation de l’invention, l’échangeur de chaleur étant en position aval. La est une représentation schématique de différents débits de carburant au cours des différentes phases d’utilisation de la turbomachine principale. La est une représentation schématique de l’évolution de la pression dans le réservoir tampon au cours des différentes phases d’utilisation de la turbomachine principale. La est une représentation schématique de différentes températures au cours des différentes phases d’utilisation de la turbomachine principale. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une deuxième forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une troisième forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique des étapes de mise en œuvre d’un procédé d’utilisation d’un système conditionnement de carburant. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une variante de la première forme de réalisation de l’invention, l’échangeur de chaleur étant en position amont. 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 une turbomachine d’aéronef, dite turbomachine principale (T), à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1), la turbomachine principale (T) ayant un débit de consigne (dT) de carburant (Q), qui est fonction de la phase de déplacement de l’aéronef, le système de conditionnement (SC) comprenant : un circuit de carburant (CQ) relié en entrée au réservoir cryogénique (R1) et en sortie à la turbomachine principale (T), une pompe (1) configurée pour faire circuler un flux de carburant (Q) d’amont en aval dans le circuit de carburant (CQ), la pompe (1) étant configurée pour fonctionner à un régime constant prédéterminé, au moins un échangeur de chaleur (3) configuré pour transmettre des calories issues d’une source chaude (2) au flux de carburant (Q) via un circuit de chauffage (C2), un organe d’alimentation (6) de la turbomachine principale (T) avec un flux de carburant (Q), l’organe d’alimentation (6) définissant une section de passage prédéterminée, l’organe d’alimentation (6) étant configuré pour fournir un débit d’alimentation nominal (d6n) lorsque la pompe (1) fonctionne à un régime constant prédéterminé, au moins un réservoir tampon (4) configuré pour alimenter la turbomachine principale (T) parallèlement à l’organe d’alimentation (6), le réservoir tampon (4) étant configuré pour être alimenté par un flux de carburant (Q), au moins une première vanne (V1) de contrôle de l’alimentation du réservoir tampon (4) en flux de carburant (Q), au moins une deuxième vanne (V2) de contrôle de la distribution du flux de carburant (Q) issu du réservoir tampon (4), et un dispositif de régulation (5) configuré pour ouvrir la deuxième vanne (V2) lorsque le débit de consigne (dT) est supérieur au débit d’alimentation nominal (d6n). Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de régulation (5) est configuré pour fermer la deuxième vanne (V2) lorsque le débit de consigne (dT) est inférieur au débit d’alimentation nominal (d6n). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le dispositif de régulation (5) est configuré pour fermer la première vanne (V1) lorsque le débit de consigne (dT) est supérieur au débit d’alimentation nominal (d6n). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, la première vanne (V1) ayant un degré d’ouverture paramétrable, le dispositif de régulation (5) est configuré pour faire varier le degré d’ouverture de la première vanne (V1) en fonction d’une comparaison entre le débit d’alimentation nominal (d6n) et le débit de consigne (dT). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant au moins un échangeur de chaleur auxiliaire (8) monté entre la deuxième vanne (V2) et la turbomachine principale (T) de manière à chauffer le flux de carburant (Q) préalablement à son injection dans la turbomachine principale (T). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la source chaude est un dispositif de génération de puissance auxiliaire (2) alimenté par le circuit de carburant (Q). Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 6, dans lequel le dispositif de génération de puissance auxiliaire (2) est configuré pour fonctionner à régime constant. Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 6 à 7, dans lequel le dispositif de génération de puissance auxiliaire (2) est une turbomachine auxiliaire ou une pile à combustible. Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 6 à 8, comprenant au moins un organe propulsif (OP) et un système d’entrainement (9) dudit organe propulsif (OP), le système d’entrainement (9) étant configuré pour être alimenté par la turbomachine principale (T) et par le dispositif de génération de puissance auxiliaire (2). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le carburant est du dihydrogène. Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le débit d’alimentation nominal (d6n) est déterminé pour être supérieur au débit de consigne (dT) en phase de croisière et inférieur au débit de consigne (dT) en phase de décollage. Procédé d’alimentation en carburant d’une turbomachine d’aéronef, dite turbomachine principale (T), à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1), la turbomachine principale (T) ayant un débit de consigne (dT) de carburant (Q), qui est fonction de la phase de déplacement de l’aéronef, le procédé comprenant des étapes consistant à : faire circuler un flux de carburant (Q) d’amont en aval dans un circuit de carburant (CQ) au moyen d’une pompe (1) fonctionnant à un régime constant prédéterminé, la pompe (1) fournissant un débit d’alimentation nominal (d6n), transmettre des calories issues d’une source chaude (2) au flux de carburant (Q) via un circuit de chauffage (C2), vider un réservoir tampon (4), alimenté par le circuit de carburant (CQ), lorsque le débit de consigne (dT) est supérieur au débit d’alimentation nominal (d6n).