Brevet FR3132736A1 — publié le 20230818

Une turbomachine de chauffage (2) pour un système de conditionnement de carburant (SC) configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef (T) à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (RC), la turbomachine de chauffage (2) comprenant un compresseur (21), une turbine (22), une chambre de combustion (24) configurée pour évacuer un flux d’air d’échappement (AE) chargé de calories et entrainer en rotation la turbine (22), au moins un circuit de fluide (CM) dans lequel circule, d’amont vers l’aval, un fluide caloporteur (M) et au moins un échangeur thermique post-combustion (32), monté dans le circuit de fluide (CM), configuré pour prélever des calories dans le flux d’air d’échappement (AE) entre la chambre de combustion (24) et la turbine (22). Figure de l’abrégé : Figure 2 Turbomachine de chauffage pour un système de conditionnement de carburant configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique La présente invention concerne le domaine des aéronefs comportant un ou plusieurs turbomoteurs alimentés 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, l’hydrogène 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 une chambre de combustion d’un turbomoteur, le carburant doit être chauffé afin de permettre une combustion optimale. Une telle étape de chauffage est par exemple nécessaire pour réduire le risque de givrage de la vapeur d’eau contenue dans l’air qui circule dans le turbomoteur, en particulier, au niveau des injecteurs de carburant du turbomoteur. En pratique, l’étape de chauffage du carburant est énergivore et nécessite de prélever des calories sur des sources chaudes. Parmi les différentes technologies pour chauffer le carburant liquide, il est connu, en référence à la , de générer un flux d’air de chauffage AC au moyen d’une turbomachine de chauffage 102 alimentée, d’une part, par du carburant Q issu d’un réservoir cryogénique RC et, d’autre part, par un flux d’air A. Un échangeur de chaleur 101 permet avantageusement de transférer des calories du flux d’air de chauffage AC au flux de carburant liquide Q afin de le rendre gazeux. Il est ainsi apte à être consommé dans une chambre de combustion CC du turbomoteur T. En pratique, il est complexe pour la turbomachine de chauffage 102 de générer une grande quantité de chaleur avec un bon rendement. En effet, par nature, une turbomachine est optimisée pour maximiser son énergie mécanique et limiter ses pertes thermiques. Dans les faits, l’énergie thermique générée est proportionnelle à l’énergie mécanique générée. Aussi, pour générer suffisamment d’énergie thermique pour chauffer le flux de carburant, il est nécessaire d’utiliser une turbomachine de taille importante qui génère une grande quantité d’énergie mécanique non désirée. Un des objectifs de la présente invention est de proposer une turbomachine qui permette de réaliser un chauffage optimal tout en ayant un encombrement faible et une masse réduite. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention concerne une turbomachine de chauffage pour un système de conditionnement de carburant configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique, la turbomachine de chauffage comprenant : un compresseur configuré pour être alimenté par un flux d’air issu d’une entrée d’air, une turbine reliée au compresseur par un arbre de turbomachine et une chambre de combustion configurée pour être alimentée, d’une part, par le flux d’air issu du compresseur et, d’autre part, par un flux de carburant, la chambre de combustion étant configurée pour évacuer un flux d’air d’échappement chargé de calories et entrainer en rotation la turbine, L’invention est remarquable par le fait qu’il comporte au moins un circuit de fluide dans lequel circule, d’amont vers l’aval, un fluide caloporteur et au moins un échangeur thermique post-combustion, monté dans le circuit de fluide, configuré pour prélever des calories dans le flux d’air d’échappement entre la chambre de combustion et la turbine. Grâce à l’invention, l’énergie thermique de la turbomachine est captée directement en sortie de la chambre de combustion avant qu’elle soit convertie en énergie mécanique par la turbine. Le rendement thermique de la turbomachine de chauffage est alors amélioré, ce qui est avantageux pour prélever des calories destinées au chauffage d’un flux de carburant issu d’un réservoir cryogénique. De manière préférée, la turbomachine de chauffage comprend au moins un échangeur thermique d’échappement, monté dans le circuit de fluide, configuré pour réchauffer le fluide caloporteur à partir de calories prélevées dans le flux d’air d’échappement en sortie de la turbine. L’utilisation d’un deuxième échangeur permet de limiter le gradient thermique dans un échangeur pour améliorer la récupération de calories. De préférence, l’échangeur thermique post-combustion est monté en aval de l’échangeur thermique d’échappement dans le circuit de fluide. Ainsi, le fluide caloporteur est chauffé progressivement avec des sources de plus en plus chaudes. De manière préférée, l’échangeur thermique post-combustion et l’échangeur thermique d’échappement sont montés de manière adjacente. Ainsi, l’encombrement est réduit et il n’est pas nécessaire de prévoir des canalisations de jonction entre les échangeurs. De préférence, les échangeurs de chaleur sont alignés selon un axe qui est orthogonal à l’arbre de turbomachine de manière à faciliter la circulation des flux d’air et de fluide caloporteur. De manière préférée, l’échangeur thermique post-combustion s’étend co-axialement à l’arbre de turbomachine afin de réduire l’encombrement. De préférence encore, la chambre de combustion est tubulaire et s’étend co-axialement à l’arbre de turbomachine. Ainsi, on simplifie la forme de la chambre de combustion étant donné qu’elle ne doit pas contourner l’arbre comme dans une turbomachine classique. Selon un aspect de l’invention, la chambre de combustion comporte un échangeur thermique auxiliaire configuré pour réchauffer un flux de carburant destiné à l’alimentation de ladite chambre de combustion. Cela est particulièrement avantageux quand un flux de carburant est utilisé comme fluide caloporteur. La compacité est augmentée de manière importante. De préférence, la turbomachine de chauffage comprend une première chambre de combustion en amont de l’échangeur thermique post-combustion et une deuxième chambre de combustion en aval de l’échangeur thermique post-combustion. La deuxième chambre de combustion permet d’augmenter la température du flux d’air d’échappement avant sa circulation dans la turbine, ce qui permet d’utiliser une turbine traditionnelle, compacte et performante, adaptée pour être entrainée par un flux d’échappement à haute température. L’invention concerne également un système de conditionnement de carburant configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef à partir de carburant issu d’un réservoir cryogénique, le système de conditionnement comprenant : un circuit de carburant configuré pour relier le réservoir cryogénique au turbomoteur d’aéronef et une turbomachine de chauffage, telle que présentée précédemment, pour réchauffer le flux de carburant circulant dans le circuit de carburant à partir de calories prélevées par le fluide caloporteur, la chambre de combustion étant alimentée par un flux de carburant issu du circuit de carburant. De préférence, le système de conditionnement de carburant comprend un échangeur thermique monté dans le circuit de carburant pour échanger des calories avec le fluide caloporteur. Selon un aspect, le flux de carburant est utilisé directement comme fluide caloporteur dans la turbomachine de chauffage. L’invention concerne également un ensemble comprenant un réservoir cryogénique, un turbomoteur d’aéronef et un système de conditionnement de carburant, tel que présenté précédemment, reliant le réservoir cryogénique au turbomoteur d’aéronef. L’invention concerne aussi un procédé de chauffage d’un fluide caloporteur au moyen d’une turbomachine de chauffage, telle que présentée précédemment, le fluide caloporteur circulant d’amont vers l’aval dans le circuit de fluide, le procédé comprenant les étapes consistant à : Alimenter le compresseur par un flux d’air, Alimenter la chambre de combustion, d’une part, par le flux d’air issu du compresseur et, d’autre part, par un flux de carburant, la chambre de combustion évacuant un flux d’air d’échappement chargé de calories afin d’entrainer en rotation la turbine et Réchauffer le fluide caloporteur dans l’échangeur thermique post-combustion à partir de calories prélevées dans le flux d’air d’échappement en sortie de la chambre de combustion. De préférence, le procédé comporte en outre une étape consistant à réchauffer le fluide caloporteur dans l’échangeur thermique d’échappement à partir de calories prélevées dans le flux d’air d’échappement en sortie de la turbine. 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’une architecture pour le conditionnement de carburant d’un réservoir cryogénique jusqu’à un turbomoteur selon l’art antérieur. La est une représentation schématique d’une architecture pour le conditionnement de carburant d’un réservoir cryogénique jusqu’à un turbomoteur comprenant une turbomachine de chauffage selon une forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique de la turbomachine de chauffage de la . La est une représentation schématique d’un diagramme énergétique de la turbomachine de chauffage. La est une représentation schématique d’une deuxième forme de réalisation d’une turbomachine de chauffage. La est une représentation schématique d’une troisième forme de réalisation d’une turbomachine de chauffage. La est une représentation schématique d’une quatrième forme de réalisation d’une turbomachine de chauffage. 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. Turbomachine de chauffage (2) pour un système de conditionnement de carburant (SC) configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef (T) à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (RC), la turbomachine de chauffage (2) comprenant : un compresseur (21) configuré pour être alimenté par un flux d’air (A) issu d’une entrée d’air (EA), une turbine (22) reliée au compresseur (21) par un arbre de turbomachine (23) et une chambre de combustion (24) configurée pour être alimentée, d’une part, par le flux d’air (A) issu du compresseur (21) et, d’autre part, par un flux de carburant (Q2), la chambre de combustion (24) étant configurée pour évacuer un flux d’air d’échappement (AE) chargé de calories et entrainer en rotation la turbine (22), système caractérisé par le fait qu’elle comporte au moins un circuit de fluide (CM) dans lequel circule, d’amont vers l’aval, un fluide caloporteur (M) et au moins un échangeur thermique post-combustion (32), monté dans le circuit de fluide (CM), configuré pour prélever des calories dans le flux d’air d’échappement (AE) entre la chambre de combustion (24) et la turbine (22). Turbomachine de chauffage (2) selon la revendication 1, comprenant au moins un échangeur thermique d’échappement (31), monté dans le circuit de fluide (CM), configuré pour réchauffer le fluide caloporteur (M) à partir de calories prélevées dans le flux d’air d’échappement (AE) en sortie de la turbine (22). Turbomachine de chauffage (2) selon la revendication 2, dans laquelle l’échangeur thermique post-combustion (32) est monté en aval de l’échangeur thermique d’échappement (31) dans le circuit de fluide (CM). Turbomachine de chauffage (2) selon l’une des revendications 2 à 3, dans laquelle l’échangeur thermique post-combustion (32) et l’échangeur thermique d’échappement (31) sont montés de manière adjacente. Turbomachine de chauffage (2) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle l’échangeur thermique post-combustion (32) s’étend co-axialement à l’arbre de turbomachine (23). Turbomachine de chauffage (2) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la chambre de combustion (24) est tubulaire et s’étend co-axialement à l’arbre de turbomachine (23). Turbomachine de chauffage (2) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle la chambre de combustion (24’) comporte un échangeur thermique auxiliaire (240’) configuré pour réchauffer un flux de carburant (Q2) destiné à l’alimentation de ladite chambre de combustion (24’). Turbomachine de chauffage (2) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant une première chambre de combustion (24a) en amont de l’échangeur thermique post-combustion (32) et une deuxième chambre de combustion (24b) en aval de l’échangeur thermique post-combustion (32). Système de conditionnement de carburant (SC) configuré pour alimenter un turbomoteur d’aéronef (T) à partir de carburant (Q) issu d’un réservoir cryogénique (RC), le système de conditionnement (SC) comprenant : un circuit de carburant (CQ) configuré pour relier le réservoir cryogénique (RC) au turbomoteur d’aéronef (T) et une turbomachine de chauffage (2) selon l’une des revendications 1 à 8 pour réchauffer le flux de carburant (Q) circulant dans le circuit de carburant (CQ) à partir de calories prélevées par le fluide caloporteur (M), la chambre de combustion (24) étant alimentée par un flux de carburant (Q2) issu du circuit de carburant (CQ). Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 9 comprenant un échangeur thermique (33) monté dans le circuit de carburant (CQ) pour échanger des calories avec le fluide caloporteur (M). Système de conditionnement de carburant (SC) selon la revendication 9 dans laquelle le flux de carburant (Q1) est utilisé directement comme fluide caloporteur (M) dans la turbomachine de chauffage (2). Procédé de chauffage d’un fluide caloporteur (M) au moyen d’une turbomachine de chauffage (2) selon l’une des revendications 1 à 8, le fluide caloporteur (M) circulant d’amont vers l’aval dans le circuit de fluide (CM), le procédé comprenant les étapes consistant à : Alimenter le compresseur (21) par un flux d’air (A), Alimenter la chambre de combustion (24), d’une part, par le flux d’air (A) issu du compresseur (21) et, d’autre part, par un flux de carburant (Q2), la chambre de combustion (24) évacuant un flux d’air d’échappement (AE) chargé de calories afin d’entrainer en rotation la turbine (22) et Réchauffer le fluide caloporteur dans l’échangeur thermique post-combustion (32) à partir de calories prélevées dans le flux d’air d’échappement (AE) en sortie de la chambre de combustion (24).