Brevet FR3134848A1 — publié le 20231027

Un système de conditionnement (SC) de carburant (Q) 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 premier échangeur de chaleur (31) configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à une température de circulation (Tc), au moins un deuxième échangeur de chaleur (32) configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à une température d’injection (Ti), une vanne de distribution (4) configurée pour diviser un flux de carburant direct (Q1) et un flux de carburant recirculé (Q2), configuré pour circuler dans une branche de recirculation (12) de manière à réchauffer le flux de carburant principal (Qp) dans le premier échangeur de chaleur (31) au moyen du flux de carburant recirculé (Q2). Figure de l’abrégé : Figure 2 Système de conditionnement de carburant pour alimenter une turbomachine d’aéronef, procédé d’alimentation d’une turbomachine 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 -253 à -251°C (20 à 22 Kelvins) 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/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 100 relié en entrée à un réservoir cryogénique R et en sortie à la chambre de combustion d’une turbomachine M. De manière connue, le réservoir cryogénique R appartient à un référentiel de l’aéronef REF-A tandis que la turbomachine M appartient à un référentiel de la turbomachine REF-M. 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. La pompe mécanique 101 est configurée pour faire circuler le flux de carburant Q dans le circuit de carburant 100. Le module de chauffage 102 est configuré pour apporter des calories au flux de carburant Q afin de le réchauffer pour qu’il puisse être injecté dans la turbomachine M. En pratique, l’étape de chauffage de carburant nécessite de prélever des calories sur des sources chaudes de l’aéronef. A titre d’exemple, la chaleur générée par la turbomachine peut être utilisée (chaleur issue de l’huile de lubrification, calories en sortie de turbine, chaleur de la tuyère, etc.). La chaleur issue de l’aéronef peut également être utilisée (air issu de la cabine, chaleur issue de systèmes électriques ou électroniques, etc.). A ce titre, on connait par exemple de la demande de brevet FR2005628A1, une architecture, également représentée sur la , dans laquelle un fluide caloporteur F traverse un échangeur de chaleur EX dans lequel il extrait les calories des sources chaudes C disponibles à bord de l’aéronef et est ensuite acheminé via une boucle de circulation BC vers le module de chaleur 102, pour chauffer le carburant Q. Cette boucle de circulation BC du fluide caloporteur F permet d’éviter le risque de contamination entre le carburant et un oxydant dans un échangeur thermique par exemple. Cependant une telle architecture nécessite l’ajout d’une pompe de recirculation PR qui augmente de manière importante la masse dans l’aéronef. De plus, l’architecture présente une inertie thermique élevée qui entraine un chauffage long du carburant. La température du fluide caloporteur F dans la boucle de circulation BC doit également suivre une plage de variation prédéfinie. En effet, la température T en entrée du référentiel turbomachine REF-M doit être supérieure à une température minimale prédéterminée Tmin pour éviter tout risque de givrage des sources chaudes C par le fluide caloporteur F. D’autre part, à l’entrée du référentiel de l’aéronef REF-A, c’est-à-dire en sortie du référentiel turbomachine REF-M, la température T doit être inférieure à une température maximale Tmax prédéterminée pour respecter les règles du fabricant de l’aéronef afin de pouvoir acheminer en toute sécurité le fluide caloporteur F au plus près du réservoir R. Une telle limitation de la plage de températures entraine une augmentation du débit du fluide caloporteur dans la boucle de circulation qui entraine une augmentation du volume de circulation et donc l’utilisation de tuyauteries plus encombrantes et plus lourdes, ce qui n’est pas souhaitable dans un contexte aéronautique qui vise à réduire la masse des aéronefs. 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. Le système de conditionnement vise en particulier à limiter la masse et l’encombrement des tuyauteries de circulation des fluides, tout en s’assurant que la source chaude qui réchauffe le carburant ne givre pas. 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 étant défini dans un référentiel aéronef et un référentiel turbomachine, le réservoir cryogénique s’étendant dans le référentiel aéronef et la turbomachine s’étendant dans le référentiel turbomachine, 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 principal circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant, au moins une première pompe mécanique montée sur le circuit de carburant dans le référentiel aéronef, la première pompe étant configurée pour élever la pression du flux de carburant principal dans le circuit de carburant jusqu’à une première pression,, au moins un premier échangeur de chaleur monté en aval de la première pompe mécanique, le premier échangeur de chaleur étant configuré pour chauffer le flux de carburant principal jusqu’à une température de circulation, le premier échangeur de chaleur étant monté dans le référentiel aéronef, le premier échangeur de chaleur comprenant une entrée de carburant, au moins une deuxième pompe mécanique, montée sur le circuit de carburant entre la première pompe mécanique et le premier échangeur de chaleur, la deuxième pompe mécanique étant configurée pour faire circuler le flux de carburant principal depuis le réservoir cryogénique d’amont en aval dans le circuit de carburant, la deuxième pompe mécanique étant configurée pour élever la pression du flux de carburant principal dans le circuit de carburant jusqu’à une deuxième pression supérieure à la première pression, au moins un deuxième échangeur de chaleur configuré pour chauffer le flux de carburant principal jusqu’à au moins une température d’injection, la température d’injection étant supérieure à la température de circulation, le deuxième échangeur de chaleur étant monté dans le référentiel turbomachine. Le système de conditionnement est remarquable en ce qu’il comprend une vanne de distribution montée sur le circuit de carburant en aval du premier échangeur de chaleur dans le référentiel turbomachine, la vanne de distribution étant configurée pour diviser le circuit de carburant en : une branche d‘alimentation montée entre la vanne de distribution et la turbomachine, et une branche de recirculation montée entre la vanne de distribution et l’entrée de carburant du premier échangeur de chaleur via ledit premier échangeur de chaleur, la vanne de distribution étant configurée pour diviser le flux de carburant principal en un flux de carburant direct configuré pour circuler dans la branche d’alimentation et alimenter la turbomachine, et un flux de carburant recirculé, configuré pour circuler dans la branche de recirculation de manière à réchauffer le flux de carburant principal dans le premier échangeur de chaleur jusqu’à la température de circulation au moyen du flux de carburant recirculé à une température supérieure ou égale à la température d’injection. Le système de conditionnement selon l’invention permet avantageusement de réchauffer le flux de carburant principal à partir d’une partie de ce même flux de carburant. Plus précisément, grâce à la vanne de distribution, le système de conditionnement selon l’invention permet de ne recirculer qu’une fraction du flux de carburant chauffé par le premier échangeur de chaleur, tout en permettant à une deuxième partie du flux de carburant d’être directement acheminée vers la turbomachine. Le flux de carburant à l’état liquide en sortie du réservoir cryogénique peut être réchauffé dans le référentiel aéronef avant d’être acheminé vers la turbomachine, ce qui permet de s’affranchir de l’installation de conduites de circulation de carburant particulières entre le référentiel aéronef et le référentiel turbomachine qui nécessiteraient une isolation spécifique pour faire circuler un flux de carburant cryogénique. La première pompe mécanique permet d’élever la pression du flux de carburant suffisamment pour que celui-ci subisse un sous-refroidissement lui permettant avantageusement de ne pas être à la saturation liquide en entrée de la deuxième pompe mécanique, comme cela était le cas en sortie de réservoir, ce qui permet d’éviter tout risque d’endommagement de la deuxième pompe mécanique, correspondant à la pompe principale. Dans une forme de réalisation, la vanne de distribution est montée en aval du deuxième échangeur de chaleur pour permettre en sortie de la vanne de distribution à la fois au flux de carburant recirculé d’être directement acheminé pour réchauffer le flux de carburant principal et au flux de carburant direct d’être directement acheminé vers la turbomachine. De manière alternative, la vanne de distribution est montée directement en aval du premier échangeur de chaleur, en particulier, en amont du deuxième échangeur de chaleur. Une telle forme de réalisation permet avantageusement de régler les températures dans la branche d’alimentation et dans la branche de recirculation de manière indépendante. De manière préférée, le flux de carburant direct circulant dans la branche d’alimentation présentant un premier débit, le flux de carburant recirculé circulant dans la branche de recirculation présente un deuxième débit compris entre 5% et 25% du premier débit du flux de carburant direct. De manière avantageuse, une grande partie du flux de carburant est directement acheminée vers la turbomachine pour l‘alimenter, ce qui permet un rendement efficace du système de conditionnement, tout en permettant d’éviter l’utilisation de longues conduites cryogéniques entre le référentiel aéronef et le référentiel moteur. Dans une forme de réalisation préférée, la première pression du flux de carburant permettant une élévation de la température dudit flux de carburant jusqu’à une température primaire, le flux de carburant ayant une température de saturation à la première pression, la température primaire est inférieure à la température de saturation à la première pression. Une telle température à une même pression permet un sous-refroidissement du flux de carburant qui est comprimé, ce qui permet de s’assurer que le carburant est à l’état liquide en sortie de la pompe mécanique. Grâce à une telle forme de réalisation, le mélange du flux de carburant principal avec le flux de carburant recirculé est à l’état liquide permettant avantageusement de limiter tout risque d’endommagement de la deuxième pompe mécanique. Dans une forme de réalisation, le système de conditionnement comprend un troisième échangeur de chaleur monté sur la branche de recirculation entre la vanne de redistribution et le premier échangeur de chaleur, de manière à augmenter la température du flux de carburant recirculé au-delà de la température d’injection, le troisième échangeur de chaleur étant monté dans le référentiel turbomachine. Dans une forme de réalisation, le système de conditionnement comprend une vanne de détente montée sur la branche de recirculation entre le premier échangeur de chaleur et la première pompe mécanique, de manière à ce que le flux de carburant recirculé circulant dans la branche de recirculation présente une pression similaire à la pression du flux de carburant sur le circuit de carburant entre la première pompe mécanique et le premier échangeur de chaleur. La vanne de détente permet de détendre le flux de carburant jusqu’à la première pression de sortie de la première pompe mécanique de manière à pouvoir mélanger le flux de carburant recirculé avec le flux de carburant principal issu du réservoir cryogénique, le flux de carburant recirculé étant liquide. De manière préférée, la vanne de détente est une vanne à détente Joule-Thomson isenthalpique. Dans une forme de réalisation, le circuit de carburant entre le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur comprend un premier conduit de circulation du flux de carburant principal et un deuxième conduit de circulation du flux de carburant recirculé, le premier conduit et le deuxième conduit se présentant chacun sous la forme d’un cylindre, le premier conduit et le deuxième conduit étant concentriques, le deuxième conduit s’étend radialement extérieurement au premier conduit, de manière à réchauffer le flux de carburant principal en sortie du premier échangeur de chaleur par le flux de carburant recirculé. Une telle tuyauterie double parois permet avantageusement des échanges thermiques optimaux entre le flux de carburant principal froid et le flux de carburant recirculé chaud. En outre, une configuration tubulaire double parois permet de s’affranchir d’un risque de fuite du flux de carburant froid. En cas d’endommagement du circuit de carburant, le flux de carburant froid circulant dans le premier conduit se retrouve dans le deuxième conduit. Une tuyauterie double parois permet également de réduire la taille du premier échangeur de chaleur en continuant le réchauffement du flux de carburant principal après sa sortie du premier échangeur de chaleur. Dans une forme de réalisation, une telle configuration permet de limiter l’utilisation du premier échangeur de chaleur pendant certaines phases du vol, pendant lesquelles le besoin en carburant est moins importante, par exemple en phase de ralentissement de l’aéronef. De manière préférée, le flux de carburant principal dans le premier conduit et le flux de carburant recirculé dans le deuxième conduit circulent suivant des sens de courant opposés. De préférence, les surfaces du premier conduit, interne au deuxième conduit, comprennent des rainures ou des ailettes pour favoriser les échanges thermiques entre les deux flux de carburant. Dans une forme de réalisation, la paroi externe du deuxième conduit comporte une isolation multicouche, de manière à minimiser les pertes thermiques vers l’ambiant. Dans une forme de réalisation, le circuit de carburant comprend un troisième conduit, le troisième conduit étant monté radialement extérieurement au deuxième conduit de manière à permettre la détection d’une fuite du flux de carburant recirculé et/ou du flux de carburant principal. Dans une forme de réalisation, le circuit de carburant comprend un conduit intermédiaire, le conduit intermédiaire étant monté entre le premier conduit et le deuxième conduit, le conduit intermédiaire étant sensiblement sous vide, de manière à permettre la détection de fuites du flux de carburant initial et/ou du flux de carburant recirculé. De préférence, les surfaces d’échanges entre le premier conduit, respectivement le deuxième conduit, et le conduit intermédiaire comprennent des ailettes, permettant avantageusement de détecter facilement une fuite entre les deux flux tout en assurant un échange thermique entre le flux de carburant chaud et le flux de carburant froid. Dans une forme de réalisation, le système de conditionnement comprend une troisième pompe mécanique, montée sur la branche de recirculation, la troisième pompe étant configurée pour faire circuler le flux de carburant recirculé dans la branche de recirculation depuis la vanne de distribution jusqu’au le circuit de carburant. Une telle troisième pompe mécanique permet de réinjecter le flux de carburant recirculé dans le circuit de carburant en aval de la deuxième pompe. L’invention porte également sur un aéronef comprenant un réservoir cryogénique, une turbomachine et un système de conditionnement tel que décrit précédemment. Enfin, l’invention concerne 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 principal, dans le premier échangeur de chaleur dans le référentiel aéronef, jusqu’à au moins la température de circulation, Acheminer le flux de carburant principal vers le référentiel turbomachine, Diviser le flux de carburant principal en un flux de carburant direct et un flux de carburant recirculé, Diriger le flux de carburant recirculé vers le premier échangeur de chaleur, de manière à ce que le premier échangeur de chaleur prélève des calories dans le flux de carburant recirculé ayant au moins la température d’injection pour réchauffer le flux de carburant principal jusqu’à la température de circulation. 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 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 système de conditionnement selon une deuxième forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement comprenant un circuit de carburant comprenant une double paroi. La est une vue en coupe du circuit de carburant à double paroi de la , selon une première forme de réalisation. La est une vue en coupe du circuit de carburant à double paroi de la , selon une deuxième forme de réalisation. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement selon une troisième forme de réalisation de l’invention. La est un schéma des étapes d’un procédé d’alimentation en carburant selon un mode de mise en œuvre de l’invention. 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 (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) étant défini dans un référentiel aéronef (REF-A) et un référentiel turbomachine (REF-M), le réservoir cryogénique (R) s’étendant dans le référentiel aéronef (REF-A) et la turbomachine (M) s’étendant dans le référentiel turbomachine (REF-M), 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 principal (Qp) circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant (1), au moins une première pompe mécanique (21) montée sur le circuit de carburant (1) dans le référentiel aéronef (REF-A), la première pompe (21) étant configurée pour élever la pression du flux de carburant principal (Qp) dans le circuit de carburant (1) jusqu’à une première pression (P1), au moins un premier échangeur de chaleur (31) monté en aval de la première pompe mécanique (21), le premier échangeur de chaleur (31) étant configuré pour chauffer le flux de carburant principal (Qp) jusqu’à une température de circulation (Tc), le premier échangeur de chaleur (31) étant monté dans le référentiel aéronef (REF-A), le premier échangeur de chaleur (31) comprenant une entrée de carburant (31E), au moins une deuxième pompe mécanique (22), montée sur le circuit de carburant (1) entre la première pompe mécanique (21) et le premier échangeur de chaleur (31), la deuxième pompe mécanique (22) étant configurée pour faire circuler le flux de carburant principal (Qp) depuis le réservoir cryogénique (R) d’amont en aval dans le circuit de carburant (1), la deuxième pompe mécanique (22) étant configurée pour élever la pression du flux de carburant principal (Qp) dans le circuit de carburant (1) jusqu’à une deuxième pression (P2) supérieure à la première pression (P1), au moins un deuxième échangeur de chaleur (32) configuré pour chauffer le flux de carburant principal (Qp) jusqu’à au moins une température d’injection (Ti), la température d’injection (Ti) étant supérieure à la température de circulation (Tc), le deuxième échangeur de chaleur (32) étant monté dans le référentiel turbomachine (REF-M), système de conditionnement (SC) caractérisé en ce qu’il comprend une vanne de distribution (4) montée sur le circuit de carburant (1) en aval du premier échangeur de chaleur (31) dans le référentiel turbomachine (REF-M), la vanne de distribution (4) étant configurée pour diviser le circuit de carburant (1) en : une branche d‘alimentation (11) montée entre la vanne de distribution (4) et la turbomachine (M), et une branche de recirculation (12) montée entre la vanne de distribution (4) et l’entrée de carburant (31E) du premier échangeur de chaleur (31) via ledit premier échangeur de chaleur (31), la vanne de distribution (4) étant configurée pour diviser le flux de carburant principal (Qp) en un flux de carburant direct (Q1) configuré pour circuler dans la branche d’alimentation (11) et alimenter la turbomachine (M), et un flux de carburant recirculé (Q2), configuré pour circuler dans la branche de recirculation (12) de manière à réchauffer le flux de carburant principal (Qp) dans le premier échangeur de chaleur (31), jusqu’à la température de circulation (Tc) au moyen du flux de carburant recirculé (Q2) à une température supérieure ou égale à la température d’injection (Ti). Système de conditionnement (SC) selon la revendication 1, dans lequel la vanne de distribution (4) est montée en aval du deuxième échangeur de chaleur (32). Système de conditionnement (SC) selon la revendication 1, dans lequel la vanne de distribution (4) est montée entre le premier échangeur de chaleur (31) et le deuxième échangeur de chaleur (32). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, le flux de carburant direct (Q1) circulant dans la branche d’alimentation (11) présentant un premier débit (d1), le flux de carburant recirculé (Q2) circulant dans la branche de recirculation (12) présente un deuxième débit (d2) compris entre 5% et 25% du premier débit (d1) du flux de carburant direct (Q1). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel, la première pression (P1) du flux de carburant principal (Qp) permettant une élévation de la température dudit flux de carburant principal (Qp) jusqu’à une température primaire (T1), le flux de carburant (Q) ayant une température de saturation (Ts) à la première pression (P1), la température primaire (T1) est inférieure à la température de saturation (Ts) à la première pression (P1). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant un troisième échangeur de chaleur (33) monté sur la branche de recirculation (12) entre la vanne de redistribution (4) et le premier échangeur de chaleur (31), de manière à augmenter la température du flux de carburant recirculé (Q2) au-delà de la température d’injection (Ti), le troisième échangeur de chaleur (33) étant monté dans le référentiel turbomachine (REF-M). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant une vanne de détente (5) montée sur la branche de recirculation (12) entre le premier échangeur de chaleur (31) et la première pompe mécanique (21), de manière à ce que le flux de carburant recirculé (Q2) circulant dans la branche de recirculation (12) présente une pression similaire à la pression du flux de carburant (Q) sur le circuit de carburant (1) entre la première pompe mécanique (21) et le premier échangeur de chaleur (31). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit de carburant (1) entre le premier échangeur de chaleur (31) et le deuxième échangeur de chaleur (32) comprend un premier conduit (13) de circulation du flux de carburant principal (Qp) et un deuxième conduit (14) de circulation du flux de carburant recirculé (Q2), le premier conduit (13) et le deuxième conduit (14) se présentant chacun sous la forme d’un cylindre, le premier conduit (13) et le deuxième conduit (14) étant concentriques, le deuxième conduit (14) s’étend radialement extérieurement au premier conduit (13), de manière à réchauffer le flux de carburant principal (Qp) en sortie du premier échangeur de chaleur (31) par le flux de carburant recirculé (Q2). Système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant une troisième pompe mécanique (23), montée sur la branche de recirculation 12, la troisième pompe (23) étant configurée pour faire circuler le flux de carburant recirculé (Q2) dans la branche de recirculation (12) depuis la vanne de distribution (4) jusqu’au le circuit de carburant (1). Aéronef comprenant un réservoir cryogénique, une turbomachine et un système de conditionnement selon l’une des revendications 1 à 9. 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 9, 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 principal (Qp), dans le premier échangeur de chaleur (31) dans le référentiel aéronef (REF-A), jusqu’à au moins la température de circulation (Tc), Acheminer le flux de carburant principal (Qp) vers le référentiel turbomachine (REF-M), Diviser le flux de carburant principal (Qp) en un flux de carburant direct (Q1) et un flux de carburant recirculé (Q2), Diriger le flux de carburant recirculé (Q2) vers le premier échangeur de chaleur (31), de manière à ce que le premier échangeur de chaleur (31) prélève des calories dans le flux de carburant recirculé (Q2) ayant au moins la température d’injection (Ti) pour réchauffer le flux de carburant principal (Qp) jusqu’à la température de circulation (Tc).