Brevet FR3133406A1 — publié le 20230915

Un 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) comprenant au moins un échangeur de chaleur à recirculation (3), comprenant une enceinte (30) comprenant au moins un premier conduit (31) de circulation du flux de carburant (Q), monté dans l’enceinte (30) et configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) à une température primaire (T1) ; au moins un deuxième conduit (32) de recirculation du flux de carburant (Q), monté dans l’enceinte (30) et configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) à une température secondaire (T2) supérieure à la température primaire (T1) ; et au moins un troisième conduit (33) de circulation d’un fluide chaud (F) monté dans l’enceinte (30), le deuxième conduit de circulation (32) étant monté entre le premier conduit (31) et le troisième conduit (33). Figure de l’abrégé : Figure 3 Système de conditionnement de carburant pour l’alimentation en carburant d’une turbomachine d’aéronef La présente invention concerne le domaine des aéronefs comportant une ou plusieurs 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, c’est-à-dire de 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 101 relié en entrée à un réservoir cryogénique R et en sortie à la chambre de combustion CC d’une turbomachine M. Un flux de carburant Q circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant 101 traverse successivement une pompe mécanique 102 et un module de chauffage 103. La pompe 102 permet de faire circuler le flux de carburant d’amont en aval. De manière connue, un module de chauffage 103 permet la circulation d’un ou plusieurs fluides chauds pour apporter des calories au flux de carburant Q. Chaque fluide chaud peut être soit un fluide caloporteur, soit un fluide provenant d’une source chaude disponible à bord de l’aéronef (comme par exemple de l’air chaud, des gaz chauds en sortie de la turbomachine, de l’huile moteur chaude, …). Du fait de la température très basse du flux de carburant Q en sortie du réservoir cryogénique R, il existe un risque que le fluide chaud, circulant dans le module de chauffage 103, givre dans le module de chauffage 103, ce qui peut endommager le module de chauffage 103 ou affecter son rendement. En référence à la , on connait un système de conditionnement SCAA de carburant comprenant deux échangeurs de chaleur 131, 132 distincts montés successivement dans le circuit de carburant 101. Le premier échangeur 131, de type échangeur de chaleur carburant/carburant, permet de chauffer le flux de carburant Q jusqu’à une température primaire T1, supérieure à la température de solidification du fluide chaud (c’est-à-dire ici à la température de givrage du carburant), de manière à ce que le carburant soit à l’état gazeux. Le deuxième échangeur 132, dans lequel circule un fluide chaud, permet de chauffer le flux de carburant jusqu’à une température secondaire T2, supérieure à la température primaire T1. En sortie du deuxième échangeur 132, le flux de carburant Q re-circule dans le premier échangeur 131 pour réchauffer le flux de carburant Q issu du réservoir cryogénique R, jusqu’à la température primaire T1. Le flux de carburant Q, ayant atteint en sortie du deuxième échangeur 132 une température suffisamment élevée, peut ensuite être introduit dans la turbomachine M. Cependant, un tel système de conditionnement nécessite deux échangeurs de chaleur successifs, un premier échangeur pour éviter tout risque de givrage du fluide chaud et un deuxième échangeur pour permettre de chauffer suffisamment le carburant pour qu’il puisse être introduit dans la turbomachine. Le système de conditionnement de l’art antérieur présente ainsi un encombrement important, ce qui n’est pas souhaitable pour une installation dans un aéronef. 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 tout en limitant l’encombrement du système de conditionnement pour faciliter son intégration dans un aéronef. 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, au moins un échangeur de chaleur à recirculation, monté dans le circuit de carburant et configuré pour transmettre des calories au flux de carburant, l’échangeur de chaleur à recirculation étant remarquable en ce qu’il comprend une enceinte comprenant : au moins un premier conduit de circulation du flux de carburant, monté dans l’enceinte, le premier conduit étant configuré pour chauffer le flux de carburant à une température au moins égale à une température primaire prédéterminée, au moins un deuxième conduit de recirculation du flux de carburant, monté dans l’enceinte, le deuxième conduit étant configuré pour chauffer le flux de carburant à une température au moins égale à une température secondaire prédéterminée, la température secondaire étant supérieure à la température primaire, et au moins un troisième conduit de circulation d’un fluide chaud monté dans l’enceinte, le deuxième conduit de circulation étant monté entre le premier conduit et le troisième conduit. Grâce au système de conditionnement selon l’invention, le troisième conduit transfère des calories d’un fluide chaud au flux de carburant circulant dans le deuxième conduit qui transfère lui-même des calories au flux de carburant circulant dans le premier conduit. Le système de conditionnement selon l’invention permet dans une unique enceinte de réchauffer le flux de carburant provenant d’un réservoir cryogénique au moyen d’un fluide chaud, sans que ce dernier ne risque de givrer. Grâce à l’invention, l’échangeur de chaleur présente une durée de vie plus importante parce qu’il présente moins de risque d’être endommagé. Le rendement de l’échangeur de chaleur n’est en outre pas affecté, ce qui permet de s’assurer que le carburant qui est injecté dans la turbomachine en sortie de l’échangeur de chaleur est à une température suffisamment élevée pour éviter tout risque de givrage des injecteurs dans la turbomachine. De préférence, le fluide chaud est un fluide caloporteur ou un fluide provenant d’une source chaude disponible à bord de l’aéronef, comme des gaz chauds en sortie d’une turbine basse pression de la turbomachine, des huiles chaudes, de l’air chaud, etc… De manière préférée, le système de conditionnement de carburant comprend un unique échangeur de chaleur à recirculation. L’encombrement du système de conditionnement est ainsi fortement réduit par rapport à l’art antérieur. Il est avantageusement plus facile de l’intégrer dans la turbomachine d’un aéronef. Le système de conditionnement présente également une masse réduite, ce qui est avantageux compte tenu des contraintes de masse inhérentes au domaine aéronautique. Dans une forme de réalisation préférée, le premier conduit et le deuxième conduit de l’échangeur de chaleur à recirculation sont reliés fluidiquement, permettant la circulation du flux de carburant entre le premier conduit de circulation et le deuxième conduit de recirculation. Autrement dit, le flux de carburant circulant dans le premier conduit peut directement circuler dans le deuxième conduit. De préférence, le troisième conduit de circulation n’est relié fluidiquement ni au premier conduit de circulation, ni au deuxième conduit de circulation, de manière à s’affranchir de tout risque que le fluide chaud se mélange au flux de carburant. De manière préférée, le flux de carburant circulant dans le premier conduit selon un premier sens de circulation, le flux de carburant circulant dans le deuxième conduit circule selon un deuxième sens de circulation, opposé au premier sens de circulation. Dans une forme de réalisation, le premier conduit et le deuxième conduit étant coaxiaux, le premier conduit est monté dans le deuxième conduit, de manière à former un deuxième conduit périphérique autour du premier conduit. Le deuxième conduit périphérique peut ainsi chauffer le flux de carburant circulant dans le premier conduit de manière efficace. Une telle forme de réalisation permet avantageusement de s’assurer que tout le flux de carburant circulant dans le premier conduit soit chauffé de manière uniforme afin de s’assurer que le flux de carburant en sortie du premier conduit soit entièrement dans un état gazeux. Un flux de carburant entièrement à l’état gazeux ne présente ainsi pas de risque de givrer le fluide chaud en entrant dans le deuxième conduit. Dans une forme de réalisation alternative, le premier conduit, le deuxième conduit et le troisième conduit se présentent sous la forme de plaques parallélépipédiques, le deuxième conduit étant adjacent au premier conduit et au troisième conduit. Une telle forme de réalisation permet une surface d’échanges thermiques importante entre les conduits permettant de manière rapide à la fois au fluide chaud de réchauffer le flux de carburant circulant dans le deuxième conduit et à ce dernier de réchauffer le flux de carburant circulant dans le premier conduit. Dans une forme de réalisation, l’échangeur de chaleur à recirculation comprend : une pluralité de premiers conduits configurés pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température au moins égale à la température primaire, une pluralité de deuxièmes conduits configurés pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température au moins égale à la température secondaire, et au moins un troisième conduit, chaque deuxième conduit étant monté respectivement entre l’un de la pluralité de premiers conduits et le troisième conduit. Une telle forme de réalisation permet de chauffer le flux de carburant de manière efficace et rapide en introduisant le flux de carburant provenant du réservoir cryogénique dans une pluralité de premiers conduits qui présentent de fait chacun un volume limité. Il est ainsi plus simple de réchauffer le flux de carburant pour le faire passer dans l’état gazeux, puisqu’une surface plus importante de premiers conduits est en contact avec les deuxièmes conduits dans lesquels circule un flux de carburant chaud. Dans une forme de réalisation alternative, l’échangeur de chaleur à recirculation comprend : une pluralité de premiers conduits configurés pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température au moins égale à la température primaire, une pluralité de deuxièmes conduits configurés pour chauffer le flux de carburant jusqu’à une température au moins égale à la température secondaire, chaque premier conduit étant monté à l’intérieur de l’un des deuxièmes conduits, et un unique troisième conduit, la pluralité de premiers conduits et la pluralité de deuxièmes conduits étant montés dans le troisième conduit, de manière à faire circuler le fluide chaud dans un unique conduit tout en étant en contact de tous les deuxièmes conduits. Dans une telle forme de réalisation, le flux de carburant circulant dans les premiers conduits est réchauffé de manière efficace grâce au volume limité de chaque premier conduit. En effet, le flux de carburant froid à l’état liquide dans chaque premier conduit est réchauffé par contact en périphérie avec l’un des deuxièmes conduits dans lequel circule un flux de carburant plus chaud. La périphérie du premier conduit chauffant ainsi avant son centre, un conduit présentant un volume plus faible permet plus facilement de chauffer l’ensemble du volume. Un unique troisième conduit permet un échangeur de chaleur simple dans lequel le flux de circulation du fluide chaud est direct tout en permettant de chauffer l’ensemble des deuxièmes conduits. Dans une forme de réalisation, l’échangeur de chaleur est un échangeur à plaques, comprenant une alternance de premières plaques de circulation du flux de carburant, de deuxièmes plaques de recirculation du flux de carburant, et de troisièmes plaques de circulation du fluide chaud, chaque deuxième plaque de recirculation du flux de carburant étant adjacente à une première plaque de circulation du flux de carburant et à une troisième plaque du fluide chaud. Une telle forme de réalisation sous forme de plaques permet avantageusement de maximiser la surface d’échange entre chaque première plaque de circulation du flux de carburant et chaque deuxième plaque de recirculation du flux de carburant, et entre chaque deuxième plaque de recirculation du flux de carburant et chaque troisième plaque de circulation du fluide chaud, permettant un chauffage efficace à la fois du flux de carburant dans les premiers conduits (ici les premières plaques) et dans les deuxième conduits (ici les deuxièmes plaques). De manière préférée, 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, le premier conduit 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 le deuxième conduit. 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. Dans une forme de réalisation préférée, le fluide chaud ayant une température de solidification prédéterminée, la température primaire est supérieure à la température de solidification prédéterminée du fluide chaud. Selon un aspect préféré, la température primaire est comprise entre 100K et 220K. De manière préférée, la température secondaire est comprise entre 250K et 350K. 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 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, dans le premier conduit, jusqu’à au moins la température primaire, chauffer le flux de carburant, dans le deuxième conduit, jusqu’à au moins la température secondaire supérieure à la température primaire, le premier conduit 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 premier système de conditionnement selon l’art antérieur. La est une représentation schématique d’un deuxième 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 échangeur de chaleur du système de conditionnement de la selon une première forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’un échangeur de chaleur du système de conditionnement de la selon une deuxième forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’un échangeur de chaleur du système de conditionnement de la selon une troisième forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique d’un exemple de circulation du flux de carburant et du fluide chaud dans l’échangeur de chaleur de la . 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) comprenant : un circuit de carburant (1) relié en entrée au réservoir cryogénique (R) et en sortie à la turbomachine (M), un flux de carburant (Q) circulant d’amont en aval dans le circuit de carburant (1), au moins un échangeur de chaleur à recirculation (3), monté dans le circuit de carburant (1) et configuré pour transmettre des calories au flux de carburant (Q), l’échangeur de chaleur à recirculation (3) étant caractérisé en ce qu’il comprend une enceinte (30) comprenant : au moins un premier conduit (31) de circulation du flux de carburant (Q), monté dans l’enceinte (30), le premier conduit (31) étant configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) à une température au moins égale à une température primaire (T1) prédéterminée, au moins un deuxième conduit (32) de recirculation du flux de carburant (Q), monté dans l’enceinte (30), le deuxième conduit (32) étant configuré pour chauffer le flux de carburant (Q) à une température au moins égale à une température secondaire (T2) prédéterminée, la température secondaire (T2) étant supérieure à la température primaire (T1), et au moins un troisième conduit (33) de circulation d’un fluide chaud (F), monté dans l’enceinte (30), le deuxième conduit de circulation (32) étant monté entre le premier conduit (31) et le troisième conduit (33). Système de conditionnement (SC) de carburant selon la revendication 1 comprenant un unique échangeur de chaleur à recirculation (3). Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le premier conduit (31) et le deuxième conduit (32) de l’échangeur de chaleur à recirculation (3) sont reliés fluidiquement. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le flux de carburant (Q) circulant dans le premier conduit (31) selon un premier sens de circulation, le flux de carburant (Q) circulant dans le deuxième conduit (32) circule selon un deuxième sens de circulation, opposé au premier sens de circulation. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier conduit (31) et le deuxième conduit (32) étant coaxiaux, le premier conduit (31) est monté dans le deuxième conduit (32), de manière à former un deuxième conduit (32) périphérique autour du premier conduit (31). Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier conduit (31), le deuxième conduit (32) et le troisième conduit (33) se présentent sous la forme de plaques parallélépipédiques, le deuxième conduit (32) étant adjacent au premier conduit (31) et au troisième conduit (33). Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’échangeur de chaleur à recirculation (3) comprend : une pluralité de premiers conduits (31) configurés pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à une température au moins égale à la température primaire (T1), une pluralité de deuxièmes conduits (32) configurés pour chauffer le flux de carburant (Q) jusqu’à une température au moins égale à la température secondaire (T2), et au moins un troisième conduit (33), chaque deuxième conduit (32) étant monté respectivement entre l’un de la pluralité de premiers conduits (31) et le troisième conduit (33). Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 7, 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 (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le fluide chaud (F) ayant une température de solidification prédéterminée, la température primaire (T1) est supérieure à la température de solidification prédéterminée du fluide chaud (F). Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la température primaire (T1) est comprise entre 100K et 220K. Système de conditionnement (SC) de carburant selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la température secondaire (T2) est comprise entre 250K et 350K. 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 11, 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 (Q), dans le premier conduit (31), jusqu’à au moins la température primaire (T1), chauffer le flux de carburant (Q), dans le deuxième conduit (32), jusqu’à au moins la température secondaire (T2) supérieure à la température primaire (T1), le premier conduit (31) prélevant des calories dans le flux de carburant (Q) ayant au moins la température secondaire (T2).