Brevet FR3128488A1 — publié le 20230428

Un système de conditionnement de carburant (SC) configuré pour alimenter une turbomachine (T), à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1), le système de conditionnement (SC) comprenant un circuit de carburant (CQ) relié en entrée au réservoir cryogénique (R1) et en sortie à la turbomachine (T), une pompe (1), une pile à combustible (P) configurée pour fournir de l’électricité à un réseau électrique de l’aéronef, au moins un premier échangeur de chaleur (31) appartenant au circuit de carburant (CQ) et configuré pour transmettre des calories, issues de la pile à combustible (P), au flux de carburant (Q) afin de le réchauffer et au moins un deuxième échangeur de chaleur (32), monté en aval du premier échangeur de chaleur (31) dans le circuit de carburant (CQ), configuré pour transmettre des calories, issues de la turbomachine (T), au flux de carburant (Q) afin de le réchauffer. 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 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 soutirant le carburant en phase liquide et un module de chauffage 102. L’utilisation d’un module de chauffage 102 nécessite d’utiliser de l’énergie pour fonctionner, ce qui abaisse le rendement du système de conditionnement. Il a été proposé dans l’art antérieur d’utiliser un module de chauffage 102 qui prélève des calories sur la turbomachine T. En pratique, les calories générées par la turbomachine T ne sont pas suffisantes pour réchauffer le flux de carburant Q sans pénaliser son rendement. De plus, les calories générées dépendent du régime de la turbomachine T. L’invention vise à éliminer au moins certains de ces inconvénients en proposant un nouveau système de conditionnement de carburant permettant un chauffage avec un meilleur rendement et une grande opérabilité. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention concerne un système de conditionnement de carburant configuré pour alimenter une turbomachine configurée pour assurer la propulsion d’un aéronef, dite turbomachine, 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, une pompe configurée pour faire circuler un flux de carburant d’amont en aval dans le circuit de carburant, une pile à combustible configurée pour fournir de l’électricité à un réseau électrique de l’aéronef, au moins un premier échangeur de chaleur appartenant au circuit de carburant et configuré pour transmettre des calories, issues de la pile à combustible, au flux de carburant afin de le réchauffer et au moins un deuxième échangeur de chaleur, monté en aval du premier échangeur de chaleur dans le circuit de carburant, configuré pour transmettre des calories, issues de la turbomachine, au flux de carburant afin de le réchauffer. La présente invention permet de tirer avantage d’une pile à combustible pour conditionner du carburant stocké dans un réservoir cryogénique. En effet, une pile à combustible permet, à partir de carburant, de générer de l’énergie électrique pouvant être utilisée par la turbomachine et/ou l’aéronef. En pratique, la pile à combustible possède un rendement de l’ordre de 50% et génère également une quantité importante de calories qui sont traditionnellement dissipées par un flux d’air extérieur. Grâce à l’invention, les calories générées sont avantageusement utilisées pour le conditionnement du carburant cryogénique utilisé pour la turbomachine d’aéronef afin de pouvoir être consommé de manière optimale. De plus, une pile à combustible possède un rendement élevé à régime constant et permet ainsi de générer des calories pour le réchauffage de manière indépendante au régime de la turbomachine d’aéronef. De plus, dans l’art antérieur, le fluide caloporteur d’une pile à combustible était refroidi par un flux d’air extérieur de l’aéronef par l’intermédiaire d’un radiateur de grandes dimensions qui induisait une trainée importante pour l’aéronef. Grâce à l’invention, le radiateur peut être supprimé ou ses dimensions diminuées. Les interactions avec le flux d’air extérieur sont diminuées et la trainée est réduite. L’utilisation de deux échangeurs de chaleur en série permet de chauffer le carburant par palier dans le circuit de carburant. Le degré de liberté introduit par la présence de deux échangeurs permet de contrôler la température du carburant arrivant à la turbomachine dans toutes les conditions d’opération, même si la pile à combustible fonctionne à régime constant. Un tel chauffage en série permet également de mieux se prémunir des risques de condensation de la vapeur d’eau au voisinage de l’hydrogène. De préférence, le système de conditionnement comporte un circuit de fluide caloporteur dans lequel circule un fluide caloporteur de refroidissement de la pile à combustible, le premier échangeur de chaleur appartenant au circuit de fluide caloporteur. Ainsi, le circuit de fluide caloporteur permet de transmettre directement les calories de la pile à combustible au carburant, ce qui augmente la compacité et réduit la masse. De manière préférée, le système de conditionnement comporte une conduite de contournement permettant d’alimenter en carburant le deuxième échangeur de chaleur sans alimenter le premier échangeur de chaleur. Cela permet avantageusement de réguler le chauffage du carburant lorsque les besoins en carburant augmentent lors d’une phase de vol. De manière avantageuse, le régime de la pile à combustible demeure constant et la conduite de contournement permet de s’assurer que le carburant est chauffé de manière optimale malgré le débit augmenté de carburant. Cela est particulièrement avantageux lorsque la pile à combustible est alimentée par le circuit de carburant. De préférence, la conduite de contournement comprend une vanne de contournement qui permet de réguler la quantité de carburant qui est fournie directement au premier échangeur de chaleur et directement au deuxième échangeur. La vanne de contournement est de préférence pilotée en fonction du débit de carburant et/ou de la température du carburant en sortie du premier échangeur. De manière préférée, la pile à combustible est alimentée par le circuit de carburant, en particulier, par une fraction du flux de carburant préalablement réchauffé par le premier échangeur. L’utilisation d’une pile à combustible présente également l’avantage d’utiliser directement le carburant du réservoir cryogénique, ce qui rend la pile à combustible autonome et simplifie le système de conditionnement. Selon un aspect de l’invention, le circuit de fluide caloporteur comporte une branche de délestage, désignée par la suite « branche de délestage primaire », comprenant un échangeur de chaleur, désigné par la suite « échangeur de délestage primaire », qui permet de diminuer l’apport calorique fourni au premier échangeur de chaleur. Lorsque la pile à combustible génère trop de calories à son régime constant de haut rendement, cela permet d’éviter avantageusement un chauffage excessif du carburant. De préférence, la branche de délestage primaire comporte en outre une vanne de délestage primaire qui permet de réguler la quantité de fluide caloporteur qui est fournie au premier échangeur de chaleur et à l’échangeur de délestage primaire. De préférence, le système de conditionnement comporte un circuit de chauffage dans lequel circule un fluide caloporteur issu de la turbomachine, par exemple, un flux d’air prélevé en aval d’une phase de compression, un flux de gaz brûlés prélevé en aval d’une turbine, ou un fluide de lubrification. Le chauffage secondaire est ainsi réalisé au plus près de la turbomachine. De préférence, le circuit de chauffage comporte une branche de délestage, désignée par la suite « branche de délestage secondaire », comprenant un échangeur de chaleur, désigné par la suite « échangeur de délestage secondaire », qui permet de réguler l’apport calorique au deuxième échangeur de chaleur. Selon un aspect de l’invention, le système de conditionnement comporte une conduite d’alimentation en air qui relie la turbomachine à la pile à combustible afin d’alimenter la pile à combustible avec un flux d’air sous pression issu de la turbomachine. Cela permet avantageusement d’éviter l’utilisation d’un compresseur dédié pour la pile à combustible, ce qui réduit la masse et l’encombrement. De préférence, la conduite d’alimentation en air comporte une branche auxiliaire qui comprend un échangeur de chaleur auxiliaire afin de réguler la température du flux d’air fourni à la pile à combustible. Cela permet d’améliorer le rendement de la pile à combustible. De manière préférée, le circuit de carburant comporte une branche auxiliaire qui permet d’échanger des calories avec la branche auxiliaire de la conduite d’alimentation en air par l’intermédiaire de l’échangeur auxiliaire. La régulation en température est réalisée au plus près de la turbomachine de manière synergique avec les autres équipements du système de conditionnement. Selon un aspect préféré, la turbomachine est reliée mécaniquement à un organe propulsif. De préférence, le système de conditionnement comprend un organe propulsif et un système d’entrainement dudit organe propulsif, le système d’entrainement étant configuré pour être alimenté par la turbomachine et par la pile à combustible. De manière préférée, le carburant est du dihydrogène. Cela est particulièrement avantageux pour une pile à combustible alimentée en hydrogène. L’invention concerne également un ensemble d’une turbomachine et d’un système de conditionnement tel que présenté précédemment. L’invention concerne également un aéronef comprenant une turbomachine et un système de conditionnement tel que présenté précédemment. L’invention concerne également un procédé d’alimentation en carburant d’une turbomachine configurée pour assurer la propulsion d’un aéronef, dite turbomachine, à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique, l’aéronef comprenant un système de conditionnement tel que présenté précédemment, le procédé comprenant des étapes consistant à : faire circuler un flux de carburant d’amont en aval dans le circuit de carburant au moyen de la pompe pour alimenter la turbomachine, Fournir de l’électricité au réseau électrique de l’aéronef au moyen de la pile à combustible, Transmettre des calories, issues de la pile à combustible, au flux de carburant Q afin de le réchauffer au moyen du premier échangeur, puis Transmettre des calories, issues de la turbomachine T, au flux de carburant Q afin de le réchauffer au moyen du deuxième échangeur de chaleur. 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. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une deuxième forme de réalisation de l’invention avec plusieurs branches de délestage. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une troisième forme de réalisation de l’invention avec une conduite d’alimentation en air de la pile à combustible. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une variante de la troisième forme de réalisation de la . La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une quatrième forme de réalisation de l’invention pour fournir une énergie propulsive et non propulsive. La est une représentation schématique d’un exemple d’un système de conditionnement de carburant combinant plusieurs aspects des différentes formes de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une variante de la première forme de réalisation 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 de carburant (SC) configuré pour alimenter une turbomachine configurée pour assurer la propulsion d’un aéronef, dite turbomachine (T), à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1), le système de conditionnement (SC) comprenant : un circuit de carburant (CQ) relié en entrée au réservoir cryogénique (R1) et en sortie à la turbomachine (T), une pompe (1) configurée pour faire circuler un flux de carburant (Q) d’amont en aval dans le circuit de carburant (CQ), une pile à combustible (P) configurée pour fournir de l’électricité à un réseau électrique de l’aéronef (90), au moins un premier échangeur de chaleur (31) appartenant au circuit de carburant (CQ) et configuré pour transmettre des calories, issues de la pile à combustible (P), au flux de carburant (Q) afin de le réchauffer et au moins un deuxième échangeur de chaleur (32), monté en aval du premier échangeur de chaleur (31) dans le circuit de carburant (CQ), configuré pour transmettre des calories, issues de la turbomachine (T), au flux de carburant (Q) afin de le réchauffer. Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 1, dans lequel le système de conditionnement (SC) comporte un circuit de fluide caloporteur (H1) dans lequel circule un fluide caloporteur de refroidissement de la pile à combustible (P), le premier échangeur de chaleur (31) appartenant au circuit de fluide caloporteur (H1). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le système de conditionnement (SC) comporte une conduite de contournement (W1) permettant d’alimenter en carburant (Q) le deuxième échangeur de chaleur (32) sans alimenter le premier échangeur de chaleur (31). Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 3, dans lequel la conduite de contournement (W1) comprend une vanne de contournement (V1) qui permet de réguler la quantité de carburant (Q) qui est fournie directement au premier échangeur de chaleur (31) et directement au deuxième échangeur (32). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la pile à combustible (P) est alimentée par le circuit de carburant (CQ), en particulier, par une fraction du flux de carburant (Q) préalablement réchauffé par le premier échangeur (31). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel le circuit de fluide caloporteur (H1) comporte une branche de délestage (H1d), désignée par la suite « branche de délestage primaire H1d », comprenant un échangeur de chaleur (41), désigné par la suite « échangeur de délestage primaire 41 », qui permet de réguler l’apport calorique fourni au premier échangeur de chaleur (31). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le système de conditionnement (SC) comporte une conduite d’alimentation en air (A1), qui relie la turbomachine (T) à la pile à combustible (P), afin d’alimenter la pile à combustible (P) avec un flux d’air sous pression issu de la turbomachine (T). Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 7, dans lequel la conduite d’alimentation en air (A1) comporte une branche auxiliaire (A1a) qui comprend un échangeur de chaleur auxiliaire (43) afin de réguler la température du flux d’air fourni à la pile à combustible (P). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le système de conditionnement (SC) comprend 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 (T) et par la pile à combustible (P). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le carburant est du dihydrogène. Procédé d’alimentation en carburant d’une turbomachine (T) configurée pour assurer la propulsion d’un aéronef, dite turbomachine (T), à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1), l’aéronef comprenant un système de conditionnement (SC) selon l’une des revendications à 1 à 10, le procédé comprenant des étapes consistant à : faire circuler un flux de carburant (Q) d’amont en aval dans le circuit de carburant (CQ) au moyen de la pompe (1) pour alimenter la turbomachine (T), Fournir de l’électricité au réseau électrique de l’aéronef (90) au moyen de pile à combustible (P), Transmettre des calories, issues de la pile à combustible (P), au flux de carburant (Q) afin de le réchauffer au moyen du premier échangeur (31), puis Transmettre des calories, issues de la turbomachine (T), au flux de carburant (Q) afin de le réchauffer au moyen du deuxième échangeur de chaleur (32).