Brevet FR3128738A1 — publié le 20230505

Un système de conditionnement de carburant (SC) configuré pour alimenter une turbomachine (T) d’aéronef à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1), le système de conditionnement (SC) comprenant un échangeur de chaleur primaire (EX1) configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à au moins une température primaire (T1), et au moins un échangeur de chaleur secondaire (EX2), monté en aval de l’échangeur de chaleur primaire (EX1), configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à au moins une température secondaire (T2) supérieure à la température primaire (T1), l’échangeur de chaleur primaire (EX1) étant configuré pour prélever des calories dans le flux de carburant (Q) ayant au moins la température secondaire (T2). 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 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/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 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. 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 T. Le chauffage du flux de carburant Q est complexe étant donné qu’il peut être à l’état diphasique dans le module de chauffage 102, ce qui impose de recourir à un module de chauffage 102 adapté pour traiter aussi bien une phase gazeuse qu’une phase liquide, ce qui complexifie le module de chauffage 102 et augmente son coût. En outre, de manière connue, un module de chauffage 102 permet la circulation d’un ou plusieurs fluides caloporteurs pour apporter des calories au flux de carburant Q. Du fait de la température très basse du flux de carburant Q en sortie du réservoir cryogénique R1, il existe un risque que le fluide caloporteur, circulant dans le module de chauffage 102, ne givre dans le module de chauffage 102, ce qui peut endommager le module de chauffage 102 ou affecter son rendement. 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. 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 comprenant : un circuit de carburant relié en entrée au réservoir cryogénique et en sortie à la turbomachine, un flux de carburant circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant, une pluralité d’échangeurs de chaleur, montés dans le circuit de carburant, configurés pour transmettre des calories au flux de carburant, ladite pluralité comprenant : un échangeur de chaleur primaire configuré pour chauffer le flux de carburant jusqu’à au moins une température primaire, au moins un échangeur de chaleur secondaire, monté en aval de l’échangeur de chaleur primaire, configuré pour chauffer le flux de carburant jusqu’à au moins une température secondaire supérieure à la température primaire, l’échangeur de chaleur primaire étant configuré pour prélever des calories dans le flux de carburant ayant au moins la température secondaire. Grâce au système de conditionnement selon l’invention, un échangeur de chaleur primaire du type carburant/carburant est utilisé pour réaliser un chauffage préliminaire du flux de carburant afin d’éviter tout risque de solidification du fluide caloporteur. Le flux de carburant peut être ensuite chauffé de manière importante par l’échangeur de chaleur secondaire. De manière avantageuse, supprimer le risque de givrage/solidification dans l’échangeur de chaleur secondaire permet d’utiliser un échangeur de chaleur secondaire dans lequel les deux fluides circulent en mode contre-courant ou courant croisé, ces deux modes sont plus efficaces sur le plan thermique que le mode co-courant traditionnellement utilisé pour réduire le risque de givrage/solidification. En outre, l’échangeur de chaleur primaire permet de réduire les gradients thermiques entre les deux fluides dans l’échangeur de chaleur secondaire, puisque le fluide carburant est réchauffé partiellement dans l’échangeur de chaleur primaire. Le fait de réduire les gradients thermiques dans l’échangeur de chaleur secondaire permet d’avoir moins de contraintes thermomécaniques et, par voie de conséquence, une durée de vie plus longue pour l’échangeur de chaleur secondaire. De préférence, le flux de carburant ayant une température de vaporisation, la température primaire est supérieure à la température de vaporisation. Outre l’absence de risque de solidification, l’échangeur de chaleur primaire permet d’éliminer la phase liquide du flux de carburant et de ne conserver que la phase gazeuse qui peut ainsi être chauffée de manière simple et pratique par l’échangeur de chaleur secondaire. Dans le cas où la pression du carburant est inférieure à sa pression critique (cas subcritique), l’échangeur de chaleur primaire permet de réaliser le changement de phase du carburant et de ne conserver que la phase gazeuse qui peut être chauffée de manière simple dans l’échangeur de chaleur secondaire. De préférence, pour du carburant hydrogène, la température primaire est supérieure à 65K.De manière préférée, l’échangeur de chaleur secondaire est chauffé à partir d’un fluide caloporteur ayant une température de solidification prédéterminée, la température primaire étant supérieure à la température de solidification prédéterminée du fluide caloporteur. Une température primaire supérieure à la température de solidification prédéterminée du fluide caloporteur permet avantageusement d’éviter tout solidification au sein de l’échangeur de chaleur secondaire, ce qui améliore la durée de vie et le rendement du système de conditionnement. De préférence, la température primaire est supérieure à 100K si le fluide caloporteur est de l’azote et supérieure à 220K si le fluide caloporteur est du dioxyde de carbone. De manière préférée, l’échangeur de chaleur principal est positionné le plus en amont parmi la pluralité d’échangeurs de chaleur. Ainsi, l’échangeur de chaleur principal permet de traiter directement le flux de carburant en sortie du réservoir cryogénique afin d’éliminer la phase liquide et chauffer préliminairement le flux de carburant avant son chauffage optimal dans l’échangeur de chaleur secondaire. De préférence, le circuit de carburant comporte une portion amont entre le réservoir cryogénique et l’échangeur de chaleur primaire, une boucle de chauffage qui relie l’échangeur de chaleur primaire à lui-même et une portion aval entre l’échangeur de chaleur primaire et la turbomachine. Selon une variante de l’invention, la boucle de chauffage comporte une pluralité d’échangeurs de chaleur secondaire. Cela permet de réaliser des chauffages par paliers et/ou d’utiliser plusieurs fluides caloporteurs différents et/ou plusieurs sources de chaleur différentes. Selon une autre variante de l’invention, la portion aval comporte au moins un échangeur de chaleur tertiaire pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température adaptée pour la turbomachine. Cela permet d’assurer une combustion avec un rendement élevé dans la turbomachine. Selon un aspect préféré, la température primaire est comprise entre 100K et 220K. de préférence, la température secondaire est comprise entre 300K et 400K. L’invention concerne également un ensemble d’au moins un réservoir cryogénique, d’une turbomachine d’aéronef et d’un système de conditionnement, tel que présenté précédemment, reliant le réservoir cryogénique à la turbomachine d’aéronef. L’invention concerne aussi un aéronef comprenant un ensemble tel que présenté précédemment. L’invention concerne également 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 présenté 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, dans l’échangeur de chaleur primaire, jusqu’à au moins la température primaire, Chauffer le flux de carburant, dans au moins l’échangeur de chaleur secondaire, jusqu’à au moins la température secondaire supérieure à la température primaire, l’échangeur de chaleur primaire prélevant des calories dans le flux de carburant ayant au moins la température secondaire. 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 forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une première variante de l’invention. La est une représentation schématique d’un système de conditionnement de carburant selon une deuxième variante 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 (T) d’aéronef 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), un flux de carburant (Q) circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant (CQ), une pluralité d’échangeurs de chaleur, montés dans le circuit de carburant (CQ), configurés pour transmettre des calories au flux de carburant (Q), ladite pluralité comprenant : un échangeur de chaleur primaire (EX1) configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à au moins une température primaire (T1), au moins un échangeur de chaleur secondaire (EX2 ; EX2a-EX2c), monté en aval de l’échangeur de chaleur primaire (EX1), configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à au moins une température secondaire (T2) supérieure à la température primaire (T1), l’échangeur de chaleur primaire (EX1) étant configuré pour prélever des calories dans le flux de carburant (Q) ayant au moins la température secondaire (T2). Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 1, dans lequel, le flux de carburant (Q) ayant une température de vaporisation, la température primaire (T1) est supérieure à la température de vaporisation. Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel, l’échangeur de chaleur secondaire (EX2 ; EX2a-EX2c) est chauffé à partir d’un fluide caloporteur (F2 ; F2a-F2c) ayant une température de solidification prédéterminée, la température primaire (T1) étant supérieure à la température de solidification prédéterminée du fluide caloporteur (F2 ; F2a-F2c). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’échangeur de chaleur principal (EX1) est positionné le plus en amont parmi la pluralité d’échangeurs de chaleur. Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel, le circuit de carburant (CQ) comporte une portion amont (P1) entre le réservoir cryogénique (R1) et l’échangeur de chaleur primaire (EX1), une boucle de chauffage (P2) qui relie l’échangeur de chaleur primaire (EX1) à lui-même et une portion aval (P3) entre l’échangeur de chaleur primaire (EX1) et la turbomachine (T). Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 5, dans lequel la boucle de chauffage (P2) comporte une pluralité d’échangeurs de chaleur secondaire (EX2 ; EX2a-EX2c). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 5 à 6, dans lequel la portion aval (P3) comporte au moins un échangeur de chaleur tertiaire (EX3) pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à une température adaptée pour la turbomachine (T). Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la température primaire (T1) est comprise entre 100K et 220K. Système de conditionnement de carburant (SC) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la température secondaire (T2) est comprise entre 300K et 400K. Procédé d’alimentation en carburant d’une turbomachine (T) d’aéronef à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (R1) au moyen d’un système de conditionnement selon l’une des revendications 1 à 9, un flux de carburant (Q) circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant (CQ) reliant en entrée le réservoir cryogénique (R1) et en sortie la turbomachine (T), le procédé comprenant des étapes consistant à : Chauffer le flux de carburant (Q), dans l’échangeur de chaleur primaire (EX1), jusqu’à au moins la température primaire (T1), Chauffer le flux de carburant (Q), dans au moins l’échangeur de chaleur secondaire (EX2 ; EX2a-EX2c), jusqu’à au moins la température secondaire (T2) supérieure à la température primaire (T1), l’échangeur de chaleur primaire (EX1) prélevant des calories dans le flux de carburant (Q) ayant au moins la température secondaire (T2).