Brevet FR3162480A1 — publié le 20251128

Ce dispositif de chauffage d'un carburant dans un circuit d'alimentation d’une turbomachine d’aéronef comprend un premier circuit (14) de circulation d'huile, un deuxième circuit (18) de circulation de carburant et un matériau à changement de phase (MCP) en relation d'échange thermique entre le premier circuit et le deuxième circuit. Il comprend en outre un circuit de dérivation (17) configuré pour détourner sélectivement l'huile du matériau à changement de phase en fonction des températures respectives de l'huile et du matériau à changement de phase Figure pour l’abrégé : Fig 3 DISPOSITIF DE CHAUFFAGE D'UN CARBURANT DANS UN CIRCUIT D'ALIMENTATION D'UNE TURBOMACHINE D’AERONEF, TURBOMACHINE D’AERONEF ET PROCEDE DE CHAUFFAGE D'UN CARBURANT CORRESPONDANT La présente invention concerne la gestion thermique du carburant dans une turbomachine d'un aéronef. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de chauffage de carburant dans un circuit d’alimentation d’une turbomachine. Etat de la technique Une turbomachine d’aéronef dotée d’un système de gestion thermique comporte classiquement une première boucle de circulation d'huile assurant la lubrification et le refroidissement des éléments du moteur de la turbomachine, tels que les roulements, les paliers et le motoréducteur et une deuxième boucle de circulation de carburant qui assure l'alimentation de la turbomachine en carburant et la commande d’organes à géométrie variable par l'intermédiaire de servovalves. La première boucle de circulation d'huile et la deuxième boucle de circulation de carburant sont couplées par des échangeurs de chaleur afin d'assurer la gestion thermique de l'ensemble du système fluidique comprenant l'huile et le carburant. On a représenté sur la FIG. 1 l'architecture générale d'un système de gestion thermique d'une turbomachine selon l’état de la technique. Sur cette figure, sont représentées la première boucle I dans laquelle circule de l’huile de lubrification entre un moteur 1 et un réservoir 2 sous l’action de pompes P, une deuxième boucle II s’étendant entre le ou les réservoirs 3 de carburant de l'avion, les chambres de combustion 4 du moteur et des dispositifs à géométrie variable 5 pilotés par des servovalves 6. Dans ce système de gestion thermique, le refroidissement de l’huile circulant dans la première boucle est assuré par le carburant circulant dans la deuxième boucle sous l’action des pompes P, au moyen d'un échangeur de chaleur 9. Les deux boucles sont en outre couplées par un réchauffeur piloté 10 qui assure essentiellement le réchauffage du carburant dans des conditions ambiantes froides afin d'éviter tout risque de givrage du carburant qui serait susceptible de provoquer des dysfonctionnements des servovalves 6 et, par conséquent, des organes à géométrie variable 5. La circulation du carburant dans la deuxième boucle II est commandée par une valve de contournement 11. Des pompes P commandent le débit de carburant et d’huile dans les boucles de circulation I, II et III. Dans des conditions ambiantes froides, notamment négatives, le carburant stocké dans le réservoir 3 de l'avion, qui peut contenir de l'eau, même en petite quantité, est susceptible de geler, notamment au niveau des servovalves, ce qui est susceptible d'entraîner des dysfonctionnements. Le rôle du réchauffeur piloté 10 est alors de réchauffer le carburant afin qu'il ait une température positive au niveau des servovalves. Toutefois, dans certaines conditions, le carburant est susceptible d'atteindre le système moteur de l'aéronef à des températures très basses, qui peuvent atteindre -55° C. Par exemple, lorsque l'avion a été parqué dans des conditions extrêmes, l’augmentation du débit de carburant, qui peut se produire lors de certaines phases de vol ou de roulage alors que la première boucle de circulation est globalement froide et n’a pas encore eu le temps de se réchauffer, a pour conséquence d'augmenter le débit de carburant dans l'échangeur de chaleur 9 et, par conséquent, un refroidissement supplémentaire de l’huile en raison de cette augmentation du débit de carburant à très basse température. Tel est par exemple le cas lors du passage d'un mode de ralenti à un mode de décollage qui s'accompagne d'une augmentation importante de la consommation de carburant. L'augmentation de la consommation de carburant a également pour conséquence une diminution de la température du carburant en sortie du réchauffeur piloté 10. On a représenté sur la FIG. 2 un exemple d'évolution de la température de l'huile (Courbe A) et du carburant (Courbe B) lors d'une phase de ralenti (phase P1), puis lors d'une phase de décollage (phase P2). Comme on le voit, lors du passage du ralenti à la phase de décollage, il se produit une chute de la température d’huile en entrée du moteur ainsi qu'une chute de la température du carburant en sortie du réchauffeur piloté 10, de sorte que l’huile perd une partie substantielle de sa capacité de réchauffage du carburant. Dans ces conditions, le carburant ne peut être réchauffé de manière optimisée et une température positive du carburant n'est pas garantie au niveau des servovalves. Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient et de proposer un dispositif de chauffage d'un carburant dans un circuit d'alimentation d'une turbomachine permettant de maximiser les échanges de température vers le carburant. L'invention donc pour objet un dispositif de chauffage d'un carburant dans un circuit d'alimentation d'une turbomachine d’aéronef, comprenant un premier circuit de circulation d'huile, un deuxième circuit de circulation de carburant et un matériau à changement de phase placé en relation d'échange thermique entre le premier circuit et le deuxième circuit. Ce dispositif comprend en outre un circuit de dérivation configuré pour détourner sélectivement l'huile du matériau à changement de phase en fonction des températures respectives de l’huile et du matériau à changement de phase. Dans un mode de réalisation, le circuit de dérivation est placé entre une entrée et une sortie du premier circuit de circulation d'huile, de manière à dériver la circulation d'huile du matériau à changement de phase si la température de l’huile est inférieure à celle du matériau à changement de phase. Dans un mode de réalisation, le premier et le deuxième circuit comprennent chacun plusieurs branches s'étendant en parallèle, les branches parallèles du premier circuit croisant les branches parallèles du deuxième circuit, et dans lequel le matériau à changement de phase est disposé entre les branches des premier et deuxième circuits. Avantageusement, le matériau à changement de phase est choisi en fonction de la chaleur latente de changement d'état du matériau à changement de phase qui correspond à la température de l’huile à l'issue d'une phase prédéterminée de fonctionnement de la turbomachine. L’invention également pour objet un système de gestion thermique d'une turbomachine d’aéronef comprenant un dispositif de chauffage tel que défini ci-dessus. Elle a en outre pour objet une turbomachine d’aéronef comprenant un tel système de gestion thermique. L'invention encore pour objet un procédé de chauffage d'un carburant dans un circuit d'alimentation d'une turbomachine d’aéronef, dans lequel le carburant circulant dans une boucle de circulation de carburant est chauffé par de l’huile circulant dans une boucle de circulation d'huile, et dans lequel lors d'une première phase de fonctionnement de la turbomachine, l'énergie thermique de l'huile est stockée dans un matériau à changement de phase en relation d'échange thermique entre la boucle de circulation de carburant et la boucle de circulation d’huile, et lors d'une deuxième phase de fonctionnement de la turbomachine, l'énergie thermique stockée dans le matériau à changement de phase est restituée vers le carburant. Dans un mode de mise en œuvre, lorsque la température de l'huile est inférieure à celle du matériau à changement de phase, l’huile est détournée du matériau à changement de phase. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - La FIG. 1 et la FIG. 2 , dont il a déjà été fait mention, illustrent respectivement l'architecture générale d'un système de gestion thermique pour turbomachine d’aéronef selon l’état de la technique et l’évolution de la température d’huile et de carburant lors de phases prédéterminées de fonctionnement de la turbomachine ; - La FIG. 3 illustre la structure d'un dispositif de chauffage d'un carburant conforme à l’invention ; - La FIG. 4 illustre le fonctionnement du dispositif de la FIG. 3 ; et - La FIG. 5 montre des courbes illustrant le fonctionnement du dispositif de la FIG. 3 , ainsi qu’un procédé de chauffage de carburant conforme à l'invention. Description détaillée On se référera tout d'abord la FIG. 3 qui illustre un dispositif de chauffage d'un carburant selon un mode de réalisation de l'invention, désigné par la référence numérique générale 12. Un tel dispositif 12 est destiné à être intégré à un système de gestion thermique d'une turbomachine tel qu’illustré à la FIG. 1 , entre une première boucle de circulation d'huile qui assure l'alimentation du moteur pour assurer la lubrification et le refroidissement des éléments du moteur de la turbomachine et une deuxième boucle de circulation de carburant, qui d'une part assure l'alimentation des chambres de combustion 4 du moteur et qui d'une part permet de commander des servovalves 6 pilotant des dispositifs 5 à géométrie variable. Le dispositif de chauffage 12 est par exemple intégré au réchauffeur piloté 10 pour assurer le réchauffage du carburant, en particulier en conditions froides. Comme on le voit, le dispositif de chauffage 12 comprend un premier circuit 14 de circulation d'huile, qui comprend une entrée 15 et une sortie 16 respectivement raccordées à la boucle I de circulation d'huile, ainsi qu'un circuit de dérivation 17 s’étendant entre l’entrée 15 et la sortie 16 de manière à court-circuiter le premier circuit 14 de circulation d'huile. Le dispositif 12 comporte par ailleurs un deuxième circuit de circulation de carburant 18 en relation d'échange thermique avec le premier circuit 14 de circulation d'huile et qui comporte une entrée 19 et une sortie 20 raccordées chacune à la deuxième boucle de circulation de carburant. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la FIG. 3 , et de manière nullement limitative, le premier circuit 14 de circulation d'huile comporte un ensemble de branches, telles que 21, s'étendant parallèlement entre l'entrée 15 et La sortie 16. Tel est également le cas du deuxième circuit de circulation 18 qui comprend également un ensemble de branches, telles que 22, s'étendant parallèlement entre l'entrée 19 et la sortie 20. Les branches 21 du premier circuit de circulation d'huile 14 sont en relation d'échange thermique avec les branches 22 du deuxième circuit de circulation de carburant 18. Par exemple, les branches 21 croisent les branches 22. Elles sont avantageusement disposées perpendiculairement aux branches 22 du deuxième circuit 18. Les branches 21 et 22 délimitent entre elles des cellules, tels que 23, qui sont emplis d'un matériau à changement de phase MCP qui est capable de passer d'un état solide à un état liquide, et inversement, à une température prédéterminée, en absorbant ou en libérant de l'énergie sous forme de chaleur latente. Il s'agit, par exemple, d'eau, de cire, d'hydrocarbures à changement de phase, ou encore de paraffine. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque l'on utilise d'autres types de matériaux à changement de phase. Comme illustré sur la FIG. 4 , qui montre la variation de température en fonction de la quantité de chaleur stockée dans un matériau à changement de phase, et sur laquelle la chaleur sensible correspond à une élévation de température d'un matériau sans changement d'état physique alors que la chaleur latente correspond à un changement de phase d'un matériau sans que sa température change, un matériau à changement de phase est capable de stocker une grande quantité d'énergie thermique à température constante qui, selon les matériaux à changement de phase, peut aller de -40° C à 150° C, pour pouvoir la restituer plus tard. Ainsi, le matériau à changement de phase du dispositif de chauffage 12 peut être utilisé pour le stockage de l'énergie thermique dégagée lorsque la capacité de réchauffage du carburant est conservée, par exemple lors du ralenti au sol. Le matériau à changement de phase est en particulier utilisé avant la mise en œuvre de phases de fonctionnement dans lesquelles les capacités de réchauffage du carburant ne sont plus maintenues, telles que le décollage, qui ont pour conséquence d'augmenter le débit de carburant et, par conséquent, un refroidissement supplémentaire de l’huile, en raison de l'augmentation du débit de carburant à très basse température. À titre d'exemple, en se référant à la FIG. 5 , dans un mode de mise en œuvre, lors d'une phase de fonctionnement au ralenti (phase P1), le moteur tourne à faible régime, et assure le réchauffement en partie de l’huile, ainsi que du carburant. Au cours de cette étape P1 de ralenti, au cours d'une première étape P’1, la température de l’huile (courbe A) et la température du carburant (courbe B) augmentent. La température du matériau à changement de phase (courbe C) augmente également, par transfert de chaleur sensible, c'est-à-dire sans transition de phase physique. Lors de l’étape suivante P’’1, la température de l’huile et la température du carburant continuent d'augmenter et l'énergie thermique est stockée dans le matériau à changement de phase sous forme de chaleur latente, à température constante. Lors de cette période P’’1, le matériau à changement de phase, qui a avantageusement une température de changement de phase choisie en fonction des besoins du système de gestion thermique, par exemple comprise entre 0 et 100 °C, entre ainsi en fusion, ce qui permet de stocker à température constante une quantité importante d'énergie, par exemple de l'ordre de quelques centaines de milliers de kilojoules. Lors d’un décollage qui, comme indiqué précédemment, s'accompagne d'une augmentation du débit de carburant (phase P2), l'énergie stockée dans le matériau à changement de phase est restituée sous forme de chaleur latente à température constante au carburant (courbe B’). Lors d’un décollage, le débit de carburant peut être multiplié par un facteur allant de 2 à 20, et provoque généralement une chute de 5° à 30C° de la température de l’huile. Si la température de l’huile devient inférieure à celle du matériau à changement de phase, le circuit de dérivation 17 est mis en œuvre de sorte que l'huile ne circule plus dans le dispositif de chauffage 12 et ne récupère pas l'énergie stockée dans le matériau à changement de phase, pour qu'elle soit entièrement disponible pour réchauffer le carburant. Le matériau à changement de phase assure alors le réchauffage du carburant. Il a été constaté qu'une augmentation de température de l'ordre de 10 à 30° pour pouvait être obtenue. Le dispositif de chauffage qui vient d'être décrit permet ainsi de maximiser les échanges de température vers le carburant en stockant l'énergie thermique qui est disponible lors de phases de fonctionnement du moteur moins contraignantes, dans lesquelles les capacités de réchauffage du carburant sont maintenues, puis en restituant cette énergie au carburant lors de phase de fonctionnement plus contraignantes dans lesquelles les capacités de réchauffage du carburant ne sont pas maintenues, et ce, sans avoir à dimensionner le réchauffeur piloté, en utilisant un matériau à changement de phase dont le volume est plus faible que celui d'un échangeur de chaleur conventionnel. Dispositif de chauffage d'un carburant dans un circuit d'alimentation d’une turbomachine d’aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un premier circuit de circulation d'huile (14), un deuxième circuit de circulation de carburant (18) et un matériau à changement de phase (MCP) en relation d'échange thermique entre le premier circuit (14) et le deuxième circuit (18), et en ce qu'il comprend en outre un circuit de dérivation (17) configuré pour détourner sélectivement l'huile du matériau à changement de phase (MCP) en fonction des températures respectives de l'huile et du matériau à changement de phase. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, dans lequel le circuit de dérivation (17) est placé entre une entrée (15) et une sortie (16) du premier circuit de circulation, de manière à dévier la circulation d'huile du matériau à changement de phase si la température de l'huile est inférieure à celle du matériau à changement de phase. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le premier et le deuxième circuit comprennent chacun plusieurs branches (21, 22) s'étendant en parallèle, les branches parallèles du premier circuit croisant les branches parallèles du deuxième circuit, et dans lequel le matériau à changement de phase est disposé entre les branches des premier et deuxième circuit. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau à changement de phase est choisi en fonction de la chaleur latente de changement d'état du matériau à changement de phase qui correspond à la température de l'huile à l'issue d'une phase de fonctionnement de la turbomachine. Système de gestion thermique d'une turbomachine d’aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de chauffage (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. Turbomachine d’aéronef comprenant un système de gestion thermique selon la revendication 5. Procédé de chauffage d'un carburant dans un circuit d'alimentation d'une turbomachine d’aéronef, dans lequel le carburant circulant dans une boucle de circulation (II) de carburant étant réchauffé par l'huile circulant dans une boucle de circulation (I) d'huile et dans lequel lors d'une première phase de fonctionnement de la turbomachine, l’énergie thermique de l’huile est stockée dans un matériau à changement de phase (MCP) en relation d'échange thermique entre la boucle de circulation de carburant et la boucle de circulation d’huile et, lors d'une deuxième phase de fonctionnement de la turbomachine, l'énergie thermique stockée dans le matériau à changement de phase est restituée vers le carburant. Procédé selon la revendication 7, dans lequel lorsque la température de l’huile est inférieure à la température du matériau à changement de phase, l'huile est détournée du matériau à changement de phase.