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PROCEDE ET SYSTEME DE CIRCULATION DE CARBURANT DANS
UN AERONEF
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé et un système de circulation de
carburant dans un aéronef, tel qu'un avion par exemple.
ART ANTÉRIEUR
Dans le domaine de l'aéronautique, il est bien connu de faire circuler du
carburant
dans un aéronef, soit depuis un équipement extérieur pour un ravitaillement,
soit depuis
un équipement intérieur pour distribuer le carburant entre les différents
réservoirs
(transfert), et/ou pour fournir aux moteurs, tels que les réacteurs de l'avion
ou au moins
un groupe auxiliaire de puissance dit APU selon l'acronyme anglo-saxon
Auxiliary
Power Unit , le carburant nécessaire à leur fonctionnement (alimentation).
Le ravitaillement en carburant d'un aéronef est une opération réalisée pour
mettre
en place la quantité de carburant nécessaire pour un prochain vol à partir
d'une ligne sous
pression provenant d'un camion (+/- 100 m3/h à 2,5 bars). Cette opération est
également
appelée Pressure refuel .
Le transfert de carburant est une opération nécessaire dans les aéronefs s'ils
comportent plus d'un réservoir. La quantité de réservoirs varie selon les
avionneurs et la
configuration du modèle en question, et une séquence de vidage est imposée. Le
transfert
de carburant peut notamment intervenir lors du remplissage du collecteur,
également
appelé Scavenge , qui est alimenté en continu et avec un débit supérieur à
la
consommation des moteurs. L'objectif est de maintenir ce collecteur plein à
100% et avec
un débordement dans un autre réservoir afin de garantir une bonne alimentation
des
moteurs, quelques soient les conditions de vol de l'aéronef en roulis et/ou
tangage. Le
transfert de carburant peut également intervenir soit lors du transfert de
carburant entre
deux réservoirs situés de chaque côté de l'avion pour rétablir le centre de
gravité en cas
de surconsommation de l'un des moteurs, et/ou d'arrêt de l'un des moteurs,
et/ou de
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remplissage non homogène des réservoirs de l'avion, qui entrainerait un
déséquilibre de
l'avion d'un côté ou de l'autre, soit lors du transfert éventuel de carburant
depuis un
réservoir arrière, également appelé AFT Tank , et/ou depuis un réservoir
avant,
également appelé FWD Taffl( , et/ou depuis un réservoir central, également
appelé
CTR Taffl( , pour optimiser la position du centre de gravité de l'avion qui
influe sur les
caractéristiques aérodynamiques du vol et donc sur la consommation en
carburant induite.
L'alimentation en carburant des moteurs est réalisée par une pompe
d'alimentation
qui aspire le carburant du collecteur pour l'envoyer au moteur. Il y a
généralement une
pompe d'alimentation par moteur, et une pompe de secours par côté, qui sont
situées dans
le fond du et/ou des réservoir(s). Elles peuvent être installées dans une
cloche de
démontage pour permettre leur maintenance sans avoir à vider les réservoirs.
Ainsi, la circulation de carburant dans un aéronef se fait par l'intermédiaire
de
pompes du type roto-dynamique, telles que des turbopompes et/ou des pompes
volumétriques par exemple, alimentées par une énergie électrique ou
hydraulique, ou dans
des pompes à effet Venturi (éjecteurs) alimentées par une pression motrice.
Les pompes roto-dynamiques les plus utilisées dans les systèmes d'alimentation
d'un aéronef sont les turbopompes, aussi appelées pompes centrifuges, qui
comprennent
un corps de pompe constitué principalement d'une tubulure d'aspiration, d'une
volute, et
d'une tubulure de refoulement. La volute reçoit la partie mobile ou rotor qui
est formée de
l'impulseur, ledit impulseur se présentant sous la forme d'une roue à aubes,
montée sur
un arbre. Le rotor est actionné par une machine d'entraînement qui peut être
un moteur
électrique ou hydraulique ou thermique ou une turbine.
Ce type de pompes présente de nombreux inconvénients. En effet, d'une manière
générale, ce type de pompes présente un mauvais rendement énergétique, de
l'ordre de 30
à 70%, un encombrement et un poids important, une usure importante des pièces
en
rotation induisant une maintenance fréquente et une sensibilité au phénomène
de
cavitation. La cavitation est un phénomène bruyant, qui peut détruire une
machine en
quelques minutes. Lors du pompage, le liquide situé à l'intérieur d'une pompe
centrifuge
ne possède pas une pression uniforme. Il s'y trouve notamment des zones
présentant des
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dépressions plus ou moins accentuées. Lorsque le liquide pompé est
suffisamment proche
de son point d'ébullition, c'est-à-dire du point de passage de l'état liquide
à l'état gazeux,
il peut se produire que la pression en ces points tombe en deçà de sa tension
de vapeur, de
sorte qu'il se forme dans la pompe des bulles de vapeur. Lorsque ces bulles
parviennent
dans des zones où la pression remonte, elles implosent soudainement.
L'implosion est
accompagnée de bruit et, dans le cas où elle se produit au voisinage d'une
paroi, elle est
susceptible d'y occasionner des dégâts mécaniques en provoquant des micro-
perforations
du métal (érosion).
Les autres pompes utilisées dans les systèmes d'alimentation d'un aéronef sont
les
pompes à effet Venturi ; toutefois, ces pompes à effet venturi nécessitent
l'utilisation d'un
autre type de pompe pour générer la pression motrice, ce qui grève le poids de
l'ensemble. De plus ces pompes présentent un rendement énergétique très
faible, de
l'ordre de 10 à 25%, et sont sensibles au phénomène de cavitation.
Dans l'application considérée, les phénomènes de cavitation sont très
pénalisant
pour les équipements dit sensibles à ce phénomène, car ils génèrent une
dégradation
mécanique des équipements, une dégradation du rendement, du bruit et dans
certains cas
une introduction de bulles de gaz qui peut-être problématique pour les
réacteurs d'un
avion. En aéronautique, les conditions qui amènent à la cavitation sont le
type de
carburant avec une densité propre à chaque carburant, une pression
atmosphérique basse,
c'est-à-dire lorsque l'avion est en haute altitude, une température élevée du
fluide qui
facilite le passage de l'état liquide à l'état gazeux et une vitesse élevée du
fluide.
Il existe donc un vrai besoin d'un système d'alimentation en carburant d'un
aéronef
ayant un bon rendement énergétique, un faible encombrement et un faible poids,
nécessitant une maintenance réduite et n'étant pas sensible au phénomène de
cavitation
susceptible d'apparaître en fonction des conditions de vol notamment.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en
proposant
un procédé et un système de circulation de carburant dans un aéronef ayant un
bon
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rendement, nécessitant une maintenance réduite, et n'étant pas sensible au
phénomène de
cavitation.
A cet effet, et conformément à l'invention, il est proposé un procédé
remarquable en
ce qu'il consiste à utiliser au moins une pompe à membrane ondulante apte à
onduler,
sous l'action de moyens d'actionnement, entre deux flasques pour faire
circuler ledit
carburant entre une conduite d'admission de la pompe jusqu'à une conduite
d'échappement de la pompe.
Par rapport aux procédés de circulation de carburant de l'art antérieur, on
obtient
une maintenance réduite due à l'absence de pièces tournantes dans la pompe à
membrane
et une grande tolérance aux phénomènes de cavitation et de pollution. De plus,
la mise en
oeuvre du procédé de circulation de carburant est facilité puisque la pompe à
membrane
permet un auto-amorçage de la pompe.
Le procédé selon l'invention peut être décliné selon plusieurs modes de
réalisation
particuliers. En effet, un premier mode de réalisation consiste à utiliser
l'au moins une
pompe à membrane avec sa conduite d'admission connectée à une source
d'alimentation
externe en carburant, et avec sa conduite d'échappement connectée à un
réservoir de
l'aéronef pour son remplissage en carburant.
Un second mode de réalisation consiste à utiliser l'au moins une pompe à
membrane avec sa conduite d'admission connectée à un réservoir, et avec sa
conduite
d'échappement connectée à un autre réservoir de l'aéronef pour le transfert de
carburant
entre lesdits réservoirs.
Un troisième mode de réalisation consiste à utiliser l'au moins une pompe à
membrane avec sa conduite d'admission connectée à un réservoir, et avec sa
conduite
d'échappement connectée à un moteur de l'aéronef pour son alimentation en
carburant.
Un quatrième mode de réalisation consiste à utiliser l'au moins une pompe à
membrane avec sa conduite d'admission connectée à un réservoir, et avec sa
conduite
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d'échappement connectée à un groupe auxiliaire de puissance de l'aéronef pour
son
alimentation en carburant.
Enfin, un cinquième mode de réalisation consiste à utiliser l'au moins une
pompe à
membrane avec sa conduite d'admission connectée à un réservoir, et avec sa
conduite
d'échappement connectée à une source de réception externe en carburant pour la
vidange
du réservoir.
Il a aussi été mis au point un système de circulation de carburant dans un
aéronef
remarquable en ce qu'il comprend au moins une pompe à membrane ondulante apte
à
onduler, sous l'action de moyens d'actionnement, entre deux flasques pour
faire circuler
ledit carburant entre une conduite d'admission de la pompe jusqu'à une
conduite
d'échappement de la pompe.
Par rapport aux systèmes de circulation de carburant de l'art antérieur, on
obtient
une maintenance réduite due à l'absence de pièces tournantes dans la pompe à
membrane
et une grande tolérance aux phénomènes de cavitation et de pollution. De plus,
la mise en
oeuvre du système de circulation de carburant est facilité puisque la pompe à
membrane
permet un auto-amorçage de la pompe.
Selon une première forme de réalisation, la conduite d'admission de la pompe à
membrane est connectée à une source d'alimentation externe en carburant, et la
conduite
d'échappement est connectée à un réservoir de l'aéronef pour son remplissage
en
carburant.
Selon une deuxième forme de réalisation, la conduite d'admission de la pompe à
membrane est connectée à un réservoir, et la conduite d'échappement est
connectée à un
autre réservoir de l'aéronef pour le transfert de carburant entre lesdits
réservoirs.
Selon une troisième forme de réalisation, la conduite d'admission de la pompe
à
membrane est connectée à un réservoir, et la conduite d'échappement est
connectée à un
moteur de l'aéronef pour son alimentation en carburant.
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Selon une quatrième forme de réalisation, la conduite d'admission de la pompe
à
membrane est connectée à un réservoir, et la conduite d'échappement est
connectée à un
groupe auxiliaire de puissance de l'aéronef pour son alimentation en
carburant.
Enfin, selon une cinquième forme de réalisation, la conduite d'admission de la
pompe à membrane est connectée à un réservoir, et dont la conduite
d'échappement est
connectée à une source de réception externe en carburant pour la vidange du
réservoir.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description
qui va
suivre, de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non
limitatifs, de la
pompe et du système d'alimentation en carburant d'un aéronef suivant
l'invention, à
partir des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique du procédé et du système de
circulation de carburant selon l'invention pour le remplissage des réservoirs
d'un aéronef,
- la figure 2 est une représentation schématique du procédé et du système
de
circulation de carburant selon l'invention pour le transfert de carburant d'un
premier
réservoir vers un second réservoir d'un aéronef,
- la figure 3 est une représentation schématique du procédé et du système
circulation de carburant selon l'invention pour l'alimentation en carburant
des réacteurs
d'un aéronef,
- la figure 4 est une représentation schématique du procédé et du système
de
circulation de carburant selon l'invention pour l'alimentation d'un groupe
auxiliaire de
puissance (APU) d'un aéronef,
- la figure 5 est une représentation schématique du procédé et du système
de
circulation de carburant selon l'invention pour la vidange des réservoirs d'un
aéronef,
- la figure 6 est une vue de côté d'une première variante d'exécution de la
pompe
mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention,
- la figure 7 est une vue de côté d'une seconde variante d'exécution de la
pompe
mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention,
- la figure 8 est une vue de côté d'une troisième variante d'exécution de
la pompe
mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention.
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DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Dans la suite de la description du procédé et du système de circulation de
carburant
dans un aéronef suivant l'invention, les mêmes références numériques désignent
les
mêmes éléments. Par ailleurs, les différentes vues ne sont pas nécessairement
tracées à
1 ' échelle.
En référence aux figures 1 à 5, l'invention concerne un procédé et un système
de
circulation de carburant dans un aéronef Selon l'invention le procédé consiste
à utiliser
au moins une moins une pompe (1) à membrane ondulante apte à onduler, sous
l'action
de moyens d'actionnement, entre deux flasques pour faire circuler ledit
carburant entre
une conduite d'admission de la pompe (1) jusqu'à une conduite d'échappement de
la
pompe.
A cet effet, et en référence aux figures 1 à 8, le système de circulation de
carburant
comprend au moins une pompe à membrane (1). Selon une forme de réalisation
particulière, la pompe à membrane comprend un corps de pompe cylindrique (2)
délimitant une chambre cylindrique dans laquelle débouche une conduite
d'admission (4)
et une conduite d'échappement (5) coaxiale au corps de pompe (2), une membrane
ondulante comportant une ouverture centrale et s'étendant dans la chambre
cylindrique
entre un flasque inférieur fixe et un flasque supérieur fixe, lesdits flasques
s'étendant dans
ladite chambre cylindrique.
La membrane ondulante présente une forme d'un disque comportant une ouverture
centrale circulaire. La membrane ondulante est obtenue dans un matériau
déformable tel
qu'un élastomère silicone par exemple ou similaire. L'épaisseur de la membrane
ondulante est croissante depuis sa partie centrale vers son bord périphérique,
et
l'ouverture centrale circulaire présente un diamètre sensiblement égal au
diamètre interne
de la conduite d'échappement (5).
Le flasque inférieur est solidaire de la paroi de fond du corps (2) de la
pompe (1) et
le flasque supérieur est apte à être déplacé verticalement afin de faire
varier la cylindrée
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de la pompe comme il sera détaillé plus loin. Par ailleurs, les parois des
flasques inférieur
et supérieur faisant droit à la membrane sont convexes.
De Plus, la pompe (1) comprend des moyens de support rigides de la membrane
entre les flasques inférieur et supérieur. Lesdits moyens de support coopèrent
notamment
avec le bord périphérique de la membrane. Ces moyens de support consistent,
par
exemple, en une couronne annulaire portant le bord périphérique de la
membrane.
Par ailleurs, la pompe (1) comporte des moyens d'actionnement de la membrane
ondulante coopérant avec les moyens de support de cette dernière. Lesdits
moyens
d'actionnement consistent, par exemple, dans un actionneur linéaire
électromagnétique et
des moyens d'amortissement qui délimitent la course de l'actionneur
électromagnétique.
L'actionneur électromagnétique consiste, quant à lui, dans un anneau
cylindrique
mobile s'étendant coaxialement à la conduite d'échappement (5) au-dessus du
flasque
supérieur et au droit d'un moteur d'excitation. Le moteur d'excitation est
constitué d'une
armature cylindrique fixe dite interne et d'une armature cylindrique fixe dite
externe
portant une bobine annulaire et deux aimants permanents annulaires s'étendant
au-dessus
et respectivement en dessous de la bobine annulaire, ladite bobine annulaire
est connectée
à un circuit d'alimentation. Le circuit d'alimentation comprend, par exemple,
au moins un
amplificateur de puissance et un générateur de signal.
L'extrémité inférieure de l'anneau cylindrique mobile est solidaire d'une
couronne
annulaire munie d'un épaulement, et en prise avec une pièce de liaison
solidaire de la
couronne de support de la membrane ondulante. Ainsi, la pièce de liaison
maintient la
membrane ondulante lorsque l'actionneur est au repos notamment.
De plus, de manière avantageuse, le flasque supérieur est solidaire d'un
chariot apte
à coulisser verticalement par rapport à l'armature fixe interne afin de faire
varier la
cylindrée de ladite pompe (1). Ledit chariot consiste, par exemple, dans une
pièce
circulaire comportant un évidement central pour le passage de la conduite
d'échappement
(5) et des trous dans lesquels s'étendent des guides solidaires de l'armature
fixe interne.
Afin de faire varier la position dudit chariot, ce dernier comporte un
taraudage coopérant
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avec une vis s'étendant dans un trou pratiqué dans l'armature fixe interne. La
vis consiste
dans une pièce tubulaire de section transversale circulaire comportant un
filetage sur sa
paroi externe, dans sa partie inférieure.
Le flasque supérieur est solidaire de la face inférieure dudit chariot de
sorte que, en
faisant varier la position dudit chariot le long de l'axe de révolution
vertical de la pompe
(1), il est possible de faire varier la cylindrée de la pompe en fonction du
besoin de
l'application visée.
Accessoirement, la conduite d'admission (4) et/ou la conduite d'échappement
(5)
pourront comporter au moins un filtre.
De plus, la pompe suivant l'invention pourra avantageusement comporter au
moins
un capteur tel qu'un capteur de pression et/ou un capteur de température et/ou
un capteur
de présence de carburant. Les informations mesurées par ces capteurs peuvent
être
transmises au circuit d'alimentation qui pourra comporter des moyens de
gestion pour
réguler le débit en fonction desdites informations en modifiant les
caractéristiques
d'alimentation de l'actionneur linéaire électromagnétique notamment.
Ainsi, lorsque l'actionneur linéaire électromagnétique est activé, l'anneau
cylindrique mobile est déplacé alternativement vers le bas et vers le haut,
entraînant la
membrane ondulante vers le bas et respectivement vers le haut à la fréquence
alimentant
l'actionneur linéaire électromagnétique. De cette manière, la membrane propage
un front
d'ondes qui procure le déplacement du carburant présent dans la chambre
cylindrique
vers la conduite d'échappement (5).
En d'autres termes, le système de circulation de carburant intègre une pompe à
membrane (1) à déplacement positif qui utilise la membrane en mouvement
alternatif,
dans laquelle le carburant est déplacé par le piégeage d'une quantité fixe de
carburant, et
en forçant le déchargement du volume emprisonné par la conduite d'échappement
(5). La
pompe à membrane (1) comprend donc de bonnes propriétés d'aspiration.
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La seule pièce mobile avec laquelle le carburant est en contact dans la pompe
est la
membrane en élastomère. Tous les composants mécaniques et électriques sont
isolés de
l'exposition au carburant. Cela permet de minimiser le risque de piégeage de
corps
étranger et maximiser la fiabilité du procédé et du système de circulation de
carburant
selon l'invention. La maintenance du système est réduite.
Plusieurs variantes d'exécution sont possibles pour l'agencement de la
conduite
d'admission (4) par rapport au corps de compte (2). En effet, et selon une
première
variante illustrée à la figure 6, la conduite d'admission (4) de la pompe à
membrane (1)
s'étend radialement par rapport au corps de pompe (1).
Selon une deuxième variante illustrée à la figure 7, la conduite d'admission
(4)
s'étend du côté opposé à la conduite d'échappement (5), et coaxialement à
cette dernière.
Enfin, selon une troisième variante illustrée à la figure 8, la conduite
d'admission
(4) de la pompe à membrane (1) se présente sous la forme d'une pluralité
d'évents (29)
pratiqués dans le corps (2) de pompe cylindrique (1) pour mettre en
communication la
chambre cylindrique avec l'extérieur de la pompe (1). Dans cet exemple
particulier de
réalisation, lesdits évents (29) consistent dans des fentes longitudinales
uniformément
réparties sur la circonférence du corps de pompe cylindrique (2) et s'étendent
sur la
totalité de la hauteur de la chambre cylindrique.
Il va de soi que la forme de la pompe ne limite pas l'invention, ledit corps
de pompe
(2), la chambre et la membrane pourront présenter une forme quelconque, telle
qu'une
forme parallélépipédique pour le corps de pompe (2) et la chambre, et une
forme
rectangulaire pour la membrane sans pour autant sortir du cadre de
l'invention.
L'essentiel réside dans l'utilisation avantageuse d'une pompe à membrane dans
un
procédé de circulation de carburant dans un aéronef.
Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont
que des
illustrations particulières et en aucun cas limitatifs quant au domaine
d'application de
l'invention.
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De ce que qui précède, le procédé selon l'invention permet de faire plusieurs
opérations de circulation de carburant dans un aéronef par l'intermédiaire de
la pompe à
membrane (1).
En référence à la figure 1, le procédé selon l'invention permet le remplissage
en
carburant d'au moins un des réservoirs (30) d'un aéronef A cet effet, la
conduite
d'admission (4) de la pompe à membrane (1) du système de circulation est
connectée à
une source d'alimentation externe en carburant, et la conduite d'échappement
(5) est
connectée à un réservoir (30) de l'aéronef pour son remplissage en carburant.
En référence à la figure 2, le procédé permet de transférer du carburant entre
au
moins deux réservoirs (30 de l'aéronef A cet effet, la conduite d'admission
(4) de la
pompe à membrane (1) du système de circulation est connectée à un réservoir
(30), et la
conduite d'échappement (5) est connectée à un autre réservoir (30) de
l'aéronef pour le
transfert de carburant entre lesdits réservoirs (30).
En référence à la figure 3, le procédé permet aussi d'alimenter en carburant
au
moins l'un des moteurs (31) à partir d'au moins l'un des réservoirs (30). A
cet effet, la
conduite d'admission (4) de la pompe à membrane (1) du système de circulation
est
connectée à un réservoir (30), et la conduite d'échappement (5) est connectée
à un moteur
(31) de l'aéronef pour son alimentation en carburant.
En référence à la figure 4, le procédé permet d'alimenter en carburant au
moins un
groupe auxiliaire de puissance (APU) à partir d'au moins l'un des réservoirs
(30). A cet
effet, la conduite d'admission (4) de la pompe à membrane (1) du système de
circulation
est connectée à un réservoir (30), et la conduite d'échappement (5) est
connectée à un
groupe auxiliaire de puissance (32) de l'aéronef pour son alimentation en
carburant.
Enfin, le procédé selon l'invention permet également, en référence à la figure
5, de
réaliser la vidange d'au moins l'un des réservoirs (30). A cet effet, la
conduite
d'admission (4) de la pompe à membrane (1) du système de circulation est
connectée à un
réservoir (30), et dont la conduite d'échappement (5) est connectée à une
source de
réception externe en carburant pour la vidange du réservoir (30).
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Il est bien évident que le système pourra comprendre autant de pompes à
membrane
(1) que d'opérations de circulation de carburant différentes à réaliser.
