Brevet FR2010779A1 — publié le 19700220

' 2010779 L'invention concerne tin échangeur de chaleur rotatif à régénération, destiné à assurer, au moyen d'une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement du groupe moteur d'une turbine à gaz, un certain échauffement de l'air comprimé qui 5 doit être fourni à ce groupe moteur. Ces échangeurs de chaleur trouvent leur application dans les groupes moteurs de turbines à gaz pour améliorer leur rendement thermique. En particulier, ces échangeurs de chaleur sont prévus afin de diminuer la consomigation de carbu-10 rant relativement élevée que l'on constate dans les moteurs turbines à gaz destinés aux véhicules automobiles. Dans les échangeurs de chaleur du genre précité, on s'efforce d'obtenir un taux d'échange de chaleur le plus élevé possible (rapport de l'augmentation de 3a température 15 de l'air par rapport à la différence des températures d'entrée des deux milieux qui échangent leurs températures), ce qui doit provoquer une amélioration du rendement thermique du moteur- turbine à gaz* Il est bien connu que les pertes de pression 20 associées à l'échange de chaleur, du côté du gaz et du côté de l'.air, ainsi que les fuites provoquées par la rotation des éléments qui forment la matrice de l'échangeur de chaleur, affectent défavorablement le rendement thermique et par suite aussi la puissance spécifique d'un moteur ourbine à gaz» 25 Un taux élevé d'échange de chaleur peut être obtenu dans les échangeurs de chaleur à régénération au moyen de surfaces de transfert de chaleur relativement grandes. Xa recherche de cette qualité conduit toutefois à donner à ces échangeurs de chaleur des dimensions relativement importantes, de sorte que leur 30 adjonction & -un moteur curbine à gaz provoque des difficultés, en partioulier pour les moteurs turbines destinés aux véhicules automobiles, en raison du manque de place que l'on y rencontre fréquemment» Dans les dispositifs connus qui comportent des 35 moteurs turbines à gaz avec échangeurs de chaleur tournants à récupération sous forme de disques, disques annulaires ou tambours, les échangeurs de chaleur sont montés sur le côté ou au-dessus du moteur» et exigent en conséquence un important espace supplémentaire • 40 On connait de plus un é changeur de chaleur OFM3!NAU 69 19545 2 2010779 rotatif à régénération dont l'axe de rotation est disposé parallèlement à l'axe longitudinal central du moteur, pendant qu'il entoure j par son tambour f presque complètement le moteur turbine. Un inconvénient essentiel de cette disposition réside 5 en ce que l'accès aux éléments du moteur qui exigent vin certain entretien est rendu plus difficile» Le moteur ourbine à gaz avec échangeur de chaleur à régénération rotatif de ce genre présente sans doute des dimensions extérieures compactes. Ces dimensions extérieures compactes nécessitent toutefois,dans cette solution, 10 de multiples changements de direction de l'air et des gaz au mo^sn des canaux où passent oes deux milieux, de sorte que les pertes^âe charge qui se produisent entraînent en même temps des pertes de puissance pour le moteur. L'invention j, en conséquence essentiellement 15 pour but de réaliser un é changeur de chaleur rotatif à récupération qai forme, par son adjonction à un moteur-turbine à gaz, une unité compacte avec ce moteur, mais qui permette cependant un passage favorable à l'écoulement pour le milieu nécessaire pour l'échange de chaleur et pour les gaz de combustion du moteur en 20 ne provoquant qu'une faible perte dé puissance. Ii' é changeur de l'invention est caractérisé parce que son axe de rotation est monté incliné par rapport à l'axe central longitudinal du moteur turbine0 Suivant un mode de réalisation de l'invention, 25 1* axe de rotation de l'écbangaur d® chaleur doit être monté avec une inclinaison de 15 à 65° par rapport à l'axe longitudinal central du moteur turbine à gas® Pour obtenir un passage particulièrement adapté h l'écoulements et qui ne cause qu'une faible perte de puissance 39 pour le'"moteur g pour l'air comprimé échauffé par l'é changeur de chaleur qui se dirige vers la chambre de combustion ainsi.que pou* les gas de combustion qui vont d© la chambre de combustion vers la turbin.©- du moteur l'intention propose en outre que l'axe de ro tat ioi&nc liné de l'échan^ur d© chaleur soit monté paralléle- 51* ment à l'axe longitudinal contra! de la chambre de combustion du moteur turbinec Gstts disposition assure d© plus un ensemble de construction compact pour l'installation du moteur lia, description ci-dessous, avec référence aux d@?~.sins, se rapporte à d@s ©s®!sples de réalisation de l'invention. 40 On voit -dan® oes dessins t iAD ORlGfNAL 69 19545 3 2010779 -figure 1, une première disposition, suivant l'invention, d'un échangeur de chaleur monté sur un moteur turbine à gaz en élévation latérale et dans une première forme d'exécution ; 5 - Figure 2, une représentation de détails du moteur-turbine à gaz et de l'échangeur de chaleur de la figure 1 i - Figure 3» vaie coupe du tambour é changeur de chaleur suivant la figure 2 représenté en perspective j 10 - Figure 4, une seconde disposition suivant l'invention d'un échangeur de.chaleur sur un second moteur turbine en élévation latérale f - Figure 5, une section d'un tambour d»échangeur de chaleur représenté en perspective dans une seconde 15 forme d'exécution ,* - Figure 6, une vue d'en haut sur l'intérieur d'une section d'un tambour d1 échangeur de chaleur suivant la figure 5» Dans la description des figures qui suit. 20 les parties semblables portent essentiellement les mêmes références. Dans l'exemple d'exécution que montre la figure 1, on voit un moteur turbine à gaz avec échangeur de chaleur qui est prévu en particulier pour l'entraînement d'un 25 véhioule automobile. le moteur turbine à gaz est constitué essentiellement d'un compresseur 1, qui est relié avec la turbine 3 par un arbre 2. Xa turbine 3 est suivie d'une turbine à puissance effective 4 qui entoure, au moyen d'un arbre creux 5, le 30 prolongement 6 de l'arbre 2# la turbine 4 à puissance effective transmet sa puissance à l'arbre de sortie 8 par l'intermédiaire d'un changement de vitesse 7 qui est indiqué symboliquement seulement dans le dessin.la référence 9 désigne la chambre de combustion du moteur turbine, la référence ÎO représente un 35 échangeur de chaleur à régénération qui peut tourner sur l'axe de rotation 11 qui est placé incliné sur un angle 8 par rapport à l*axê longitudinal central 12. L'échangeur de chaleur 10 enolot ici la chambre de combustion 9 dont l'axe central longitudinal 9a s'étend de préférence parallèlement à l'axe de rotation 11 40 incliné de l'échangeur de chaleur. 69 19545 4 2010779 Grâce à cette disposition de l'échangeur de chaleur 10 et de la chambre de combustion 9r on obtient suivant l'invention que la construction du producteur de gaz soit compacte, avec des parcours favorables à l'écoulement, et les plus courts 5 possibles, pour les milieux d'échange qui doivent être amenés à l'échangeur de chaleur et en être évacués» Pendant le fonctionnement du moteur, les gaz d'échappement chauds arrivent par un conduit d'échappement 13 dans le caisson collecteur 14 (figure 2) et traversent, dans la 10 direction de la flèche 15y le tambour échangeur de chaleur. Les tracés 16 caractérisent le dessin du contour du tambour de l'échangeur de chaleur. Suivant l'adjonction nécessaire de cet échangeur de chaleur, suivant les figures 2 et 3, à un moteur turbine suivant la figure 1, l'échangeur de chaleur est exécuté, d'après la figure 15 3, sous forme d'un échangeur de chaleur à passage radial. Pour cette raison, les paroip 179 18 latérales qui limitent le tambour échangeur de chaleur sont établies fermées, pendant que la paroi limite qui suit le diamètre intérieur du tambour échangeur de chaleur et la paroi limite qui suit le dia-20 mètre extérieur de ce tambour sont construites sous forme de grilles 19, 20, perméables au courant. Le tambour de l'échangeur de chaleur est en outre recoupé par des éléments de matrice 21 qui s'étendent radialement et à distances régulières, les uns par rapport aux autres. Il est conjugué, à chaque élément de matrice 21, deux 25 tôles intermédiaires 22 destinées à former les canaux 24* 25 (figure 2) qui guident l'écoulement, tôles qui forment ensemble une chambre étanche au gaz dans le sens de la circonférence du tambour échangeur de chaleur. Les gaz chauds du moteur turbine s'échap-30 pent ainsi dans la direction de la flèche 15 au travers de la grille 19 et arrivent, assistés pour le guidage de l'écoulement par les tôles intermédiaires 22, et en passant coaxialement avec l'axe de rotation 11 (figure 11) à travers les éléments de matrice 21, dans les canaux 25 de guidage de l'écoulement ( figure 2). Les éléments 35 de matrice 21 comportent une structure poreuse métallique ou céramique qui n'est pas représentée plus en détail dans les dessins, de sorte qu'une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement du moteur-turbine ( figure 1) est emmagasinée à l'intérieur des éléments de matrice. 40 Pendant le fonctionnement du moteur, 69 19545 5 2010779 l'échangeur de chaleur 10 tourne sur son axe 11, et les éléments de matrice 21 alimentés en gaz d'échappement par la chambre collectrice 14 (figure 2) arrivent alors dans la zone du caisson collecteur 26 alimenté en air comprimé par le compresseur 1 5 (figure 1 ). Les éléments de matrice 21 échauffés par las portions de chaleur qui viennent des gaz d'échappement seront alors parcourus par l'air comprimé, dans la direction de la flèche 27 (figures 2 et 3) par 1'intermédiaire des canaux 250 cet air ■ ■ arrivant dans la chambre de combustion 9 en sortant des canaux 10 d'écoulement 24 alors qu'il a été échauffé par la chaleur emmagasinée dans les éléments de matrice. Gomme on peut s'en rendre compte d'après la figure 2, l'échangeur de chaleur 10 traverse9 dans son mouvement de rotation, les éléments d'étanchéité 28s 29p qui enfezment étroitement la circonférence intérieure et la cir-15 conférence extérieure du tambour échangeur de chaleur^de sorte que les chambres collectrices 14 et 26 sont constamment étanches l'une par rapport à l'autre grâce à ces éléments d'étanchéité 28, 29 pendant le franchissement du tambour. La chambre de combustion 9 ( figure 1) 20 reçoit par suite continuellement, pendant le fonctionnement du moteur, de l'air de combustion échauffé par les gaz d'échappement. L'exemple d'exécution d'un moteur turbine à gaz à échangeur de chaleur reproduit dans la figure 4 diffère simplement de celui de la figure 1 par le fait que la 25 section du tambour de l'échangeur de chaleur 30 diminue du diamètre intérieur au diamètre extérieur ( angles abattus ) s et que la chambre de combustion 31 est placée à l'extérieur de l'échangeur de chaleur 30, Il s'en suit une autre diminution du diamètre total du tambour de l'échangeur de chaleur et par suite le moteur turbina 30 est encore plus compact. Le mode de fonctionnement du moteur turbine de la figure 4P et celui de l'échangeur de chaleur afférent9 sont identiques à ceux du moteur turbine à gaz et de 1'échangeur de chaleur afférent 10, suivant la figure 1. Dans les exemples d'exécution repré-35 sentés dans les figures 5 et 65 il est question d'un tambour échangeur de chaleur qui est prévu pour que l'arrivée et la sortie des milieux d'échange de chaleur se fassent axial.ementc Le tambour de cet échangeur de chaleur présente une paroi intérieure 31 fermée sur elle-même ( qui suit le diamètre intérieur du tambour) et 40 une paroi extérieure 32 fermée ( qui suit le diamètre extérieur du SAD 69 19545 2010779 tambourji, Pour que dans cet échangeur de chaleur un milieu d'échange de chaleur puisse entrer et ressortir dans la direction de l'axe, les parois limites 33, 34, latérales, du tambour échangeur de chaleur sont pourvues d'ouvertures 35« Le- tambour échangeur de 5 chaleur est traversé par des éléments de matrice 36 disposés à des distances régulières entre eux» A chaque élément de matrice 36 sont conjuguées deux tôles intermédiaires 37 destinées à former les canaux d'écoulement 38, 39, qui forment chaque fols en commun une chambre étanche au gaz, dans la direction de la circonférence 10 du tambour de l'échangeur de chaleur. Les gaz d'échappement d'un moteur turbine à gaz qui n'est pas, pour oe casp représenté plus en détail s'écoulent par exemple dans la direction de la flèche 40 par les trous 35 pratiqués dans la paroi limite 34 dans les canaux d'écou-20 lement 39 du tambour échangeur de chaleur, d'où ils passent ensui-' te au moyen des tôles intermédiaires 37 par les éléments de matrice 36, pour arriver finalement à la sortie des canaux de guidage de l'écoulement 38 dans le tuyau d'échappement d'un moteur qui n'est pas représenté en détail. Après rotation de l'échangeur de chaleur 25 dans la direction de la flèche 41 sur un axe de rotation qui n'est pas représenté dans les figures, les éléments de matrice 36, échauffés par la chaleur des gas d'échappement,arrivent dans le canal d'alimentation en air, qui n'est pas représenté ici, d'un compresseur ds moteur, de sorte que l'air du compresseur traverse d'abord, 30 dans la direction de la flèche 42, les éléments de matrice en sens opposé à celui des gaz diéchappement, en empruntant les canaux d' • écoulement 38 et 39. L'air comprimé absorbe ici une partie de la chaleur emmagasinée dans les éléments fie matrice, et arrive ainsi échauffé dans la chambre da combustion du moteur turbine à gaz qui n'est pas plus complètement représenté. Bien entendra 15invention n'est pas limité © aux exemples de réalisation oi-d@ssus décrits et représentés pour lesquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres fermes de réalisation sans gous? oela sortir du cadre de l'8 invention J'J BAD ORIGINAL 69 19545 7 2010779 REVENDICATIONS 10) Echangeur de chaleur rotatif à régénération, destiné à assurer, au moyen d'une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement d'un moteur turbine à gaz, 1'échauffement de l'air comprimé qui doit être envoyé à la chambre 5 de combustion du moteur turbine à gaz, échangeur caractérisé en ce que l'axe de rotation de l'échangeur de chaleur est placé incliné par rapport à l'axe central longitudinal du moteur turbine à gaz , ce qui permet une construction plus compacte. 2°) Echangeur de chaleur suivant la 10 revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de rotation de l'échangeur de chaleur est posé incliné sur un angle de 15 à 65° par rapport à l'axe central longitudinal du moteur turbine à gaz. •• 3°) Echangeur de chaleur suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'axe de rotation 15 incliné de l'échangeur de chaleur est monté parallèlement à l'axe central longitudinal de la chambre de combustion du moteur turbine à gaz.