Brevet FR2135084A1 — publié le 19721215

L'invention est relative aux échangeurs de chaleur rotatifs, comportant un élément tournant baigné en partie par le fluide chaud et en partie par le fluide froid, et assurant de ce fait des échanges thermiques entre ces deux fluides. Un tel échangeur comporte généralement deux conduits constitués par une enveloppe d'allure cylindrique et une séparation interne, les deux fluides chaud et froid circulant dans ces deux conduits, l'élément tournant étantagencé et disposé pour tourner à l'intérieur de cette enveloppe d'allnre cylindrique. En ce qui concerne l'élément tournant, il présente une pluralité de canaux orientés axialement, et il est généralement constitué en céramique ou en verre. Le probleme qui se pose dans un tel échangeur est la réalisation des moyens de maintien de l'élément tournant et la réalisation des moyens d'étånchåité entre les deux conduits (étanchéité radiale et entre l'un au moins des deux conduits et l'atmosphère (étanchéité circonférentielle). Ce problème esp d' > autant plus difficile a résoudre que l'on be trouve en présence d'un fluide chaud et d'un fluide froid et que la majeure partie des diffarentsorganes constitutifs de l'échangeur sont soumis à des déformations thermiques importantes. En fait, l'organe qui se déforme le moins sous l'action des différences de température est l'élément tournant. L'invention a précisément pour but d'éliminer l'inconvénient dû aux déformations thermiques des organea constitutifs de ltéchangeur (carters pièces de centrage et de positionnement, dispositifs d'étanchéité, etc.) en mettant à profit les faibles déformations thermiques de l'élément tournant. L'invention a pour but un échangeur thermique dans lequel les moyens d'étanchéité (étanchéité radiale et étanchéité circonférentielle) sont efficaces. L'invention a pour but un échangeur thermique destiné à prélever des calories dans les gaz de combustion, partiellement ou totalement détendus, d'une installation à turbines à gaz pour apporter ces calories à l'air comburant comprimé avant son admission dans une ou plusieurs chambres de combustion; dans un tel échangeur, qui permet d'améliorer considérablement le rendement de l'installation à gaz, les problèmes d'étanchéité sont extremement importants car toute fuite importante de l'air comburant comprimé causerait des baisses de rendement qui pratiquement annuleraient l'effet bénéfique de l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur rotatif conforme à l'invention comporte un élément tournant muni, sur chacune dé ses deux faces latérales, d'une piste lisse périphérique et d'une piste lisse centrale, cet élément tournant étant interposé entre deux carters délimitant de chaque côté une enveloppe d'allure circulaire et une séparation.interee formant-deux conduits dans lesquels circulent respectivement le fluide chaud et le fluide froid, et elle est caractérisée par le.fait que, l'un des deux carters comporte, d'une part, trois zones -d-aui périphériques fixes et coopérant avec la piste lisse périphérique de la face considérée de l'élément tournant, deux de ces. trois zones d'appui périphériques étant disposées au voisinage de deux bras formant la séparation interne, et, d'autre part, une zone d'appui centrale mobile- axia- lement et coopérant avec la piste lisse centrale de cette m8me face, un joint d'étanchéité frottant reliant les trois susdites zones d'appui pé ripheriques et coopérant avec la susdite piste lisse périphériques et deux joints radiaux non frottants portés par les deux susdits bras montés ::entre les deux zones d'appui périphériques et la.zone d'appui centrale, et l'autre carter comporte, d'une part, deux zones d'appui péripheriques mobiles axialement et coopérant avec la piste lisse periphérique de la face- considérée de ltélément tournant, ces deux zones d'appui pé riphériques étant disposées au voisinage de deux bras formant la séparation interne, et,-d'autre part, une zone d'appui centrale mobile axialement et coopérant avec la piste lisse centrale decette-même face, un joint d'étanchéité frottant reliant, au moins d'un côté, les deux sus dites.zones d'appui périphériques et coopérant avec la susdite piste lisse périphérique, et deux joints-radiaux non frottants portés par les deux susdits bras montés entre les deux zones d'appui périphériques et la zone d'appui centrale, l'ensemble de ces joints d'étanchéité périphériques frottants et radiaux non frottants étant disposéset agencés de façon à pouvoir se déformer-librement tout en continuant à assurer leur fonction d'étanchéité. L'invention consiste, mis à part cette disposition principale, en certaines autres dispositions qui~s"utilisent de préfrence: en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-apres. L'-invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à des modes de réalisation préférés de l'invention et ne comportent bien entendu aucun caractère limitatif. La fig. 1, de ces dessins, est une coupe axiale d'un premier mode de réalisftion d'un échangeur de chaleur rotatif selon l'invention0 Les fig. 2 et 3 sont des coupes selon Il-Il et III-III fig. t. La fig. 4 est une coupe axiale d'un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur rotatif conforme à l'invention. Les fig. 5 et 6 sont deux vues partielles, à plus grande échelle, de deux détails constructifs relatifs a' à 'échangeur de chaleur rotatif illustré sur lesfig. 1, 2 et 3. Les fig. 7 et 8 sont des coupes selon VII-VII et VIII-VIII fig. 5. Les fig. 9 et 10 sont des coupes selon IX-IX et X-X fig. 6. Les fig. 11 et 12 sont deux vues partielles, à plus grande écuelle, de déux détails constructifs relatifs a' l'écha-ur de chaleur rotatif illustré sur la fig. 4. Les fig. 13 et 14 sont des coupes selon XIII-XIII et XIV-XIV fig. 11. La fig. 15, enfin, est une coupe selon X%-XV fig. 12. Comme montré sur les fig. t a' 4, l'échangeur de chaleur comporte un élément tournant 1 muni, sur chacune de ses deux faces latérales > dune piate lisse périphérique 2 et dLune piste lisse centrale 3, cet élément tournant t étant interposé entre deur carters 4- et 5 délimitant de chaque côté une enveloppe d'allure circulaire et une séparation interne 7 formant deux conduits Â et B dans lesquels circulent respectivement le fluide chaud et le fluide froid Dans l'application plus particulièrement envisagée, le fluide chaud est constitué par les gaz de combustion, partiellement ou totalement détendus dans au moins une turbine, et le fluide froid est constitué par l'air comburant comprimé dans au moins un compresseur, avant son admisssion dans une ou plusieurs chambres de combustion. Le carter 4, qui constitue le carter principal de l'installation comprenant I turbin. et le compresseur, comporte, d'une part, trois zones d1appui périphériques fixes 8, 9 et 10, coopérant avec la piste lisse périphérique 2 de la face considérée de l'élément tournant t, deux de ces trois zones d'appui périphériques2 8 et 9, étant disposées au voisinage de deux bras li et 12 formant la séparation interne 7, et, d'autre part, une zone d'appui centrale mobile axialement 13, coopérant avec la piste lisse centrale 3 de cette même face, trois secteurs de joint d'étanchéité frottant 14, 15 et 16 reliant les trois susdites zones d'appui périphériques 8, 9 et 10 et coopérant avec la susdite piste lisse périphérique 2, et deux joints radiaux non frottants 17 et 18 portés par les deux bras Il et 12 montés entre les deux zones d'appui périphériques 8 et 9 et la zone d'appui centrale 13. Le carter 5, qui constitue le carter couvercle de l'installation comprenant la turbine et le compresseur, comporte, d'une part, deux zones d'appui périphériques mobiles axialement 19 et ao, coopérant avec la piste lisse périphérique 2 de la face considérée de l'élément tournant 1, ces deux zones d'appui périphériques 19 et 20 étant disposées au Voisi- nage de deux bras 21 et 22 formant la séparation interne 7, et, d'autre part, une zone d'appui centrale mobile axialement 23, coopérant avec la piste lisse centrale 3 de cette même face, un secteur de Joint d'étanché -ité- frottant 24 reliant les deux susdites zones d'appui périphériques 19 et 20 du côté du conduit A et coopérant avec la susdite piste lisse périphérique 2, et deux joints radiaux non frottants 25 et 26 portés par les deux bras- 21 et 22 montés entre les deux zones d'appui périphériques 19 et 20 et la zone appui centrale 23. L'ensemble de ces joints d'étanchéité périphériques frottants 14, 15, 16, -24 et radiaux non flottants 17, 18, 25, 26 étant disposés et agencés de façon à pouvoir se déformer librement tout en continnant' à assurer leur fonction d-'étanchéité-. Sur ia fig. 1, on a supposé que les pistes lisses périphériques 2 et centrales 3 des deux faces -de -l'élément tournant 1 étaient constituées par des brides rapportées faisant saillie au-delà des faces considérées. Sur la fig. 4, on a supposé que les pistes lisser périphériques 2 et centrales 3 des deux faces de l'élément tournant l étaient constituées par des zones localement traitées de l'élément tournant 1 proprement dit, de telles zones ne faisant alors pas saillie -au-delà des faces considérées. Les forces aérodynamiques engendrées par les gaz de combustion sur l'élément tournant 1 sont supérieures aux forces engendrées par l'air comburant sur ce même élément tournant 1; il est donc avantageux de prévoir un dispositif d'équilibrage 27 engendrant une force d'équilibrage sur l'élément tournant 1. Ce dispositif d'équilibrage.27 est de préférence disposé au droit de la zone d'appui périphérique 10 qui se trouve- entre les deux bras 21 et 22 de la séparation interne 7 Ce dispositif d'équilibrage 27 peut être constitué, comme montré sur la fig. 1, par une roulette 28, poussée par un ressort 29 contre une couronne 30 solidaire de la bride constituant les pistes lisses périphériques 2 de l'élément tournant 1. Ce dispositif d'équilibrage 27 peut aussi âtre constitués comme montré sur la fig. 4, par un patin 31 poussé par un ressort 32 contre la piste lisse périphérique 2 de-la face correspondante de l'élément tournant 1. Comme montré sur la fig.* 2, les bras 11 et 12 situés du côté de ltélément tournant 1 en appui sur les trois zones -d1appui périphériques fixes .8., 9 et 10 sont montés entre les deux. zones d'appui périphériques 8 et-9 et la zone-d'appui centrale mobile-axialement 13. Comme montré sur la fig. 3, les bras 21 et 22 situés du.c8té de l'élément tournant 1 en appui sur les deux zones d'appui périphériques mobiles axialement 19 et 20 sont montés entre ces deux- zones d'appui périphériques 19 et 20 et la zone d'appui centrale mobile axialement 23. Les zones d'appui centrales mobiles axialement 13 et 23 sont avantageusement sollicitées par des moyens -de rappel élastiques vers la piste lisse centrale 3 correspondante. Sur les fig. 6, 9, 10 et sur les fig. 12 et 15, on a représenté la zone d'appui centrale mobile 13. Cette zone d'appui est constituée par un patin comportant-une portée de guidage cylindrique 33 guidée dans un alésage 34 et elle est sollicitée vers la piste lisse. centrale 3 par un ressort 35. Pour maintenir le bras Il tout en permettant sa libre dilatation et le rattrapage du jeu radial une entaille 36 est ménagée dans ce patin. Sur les fig. 5, 7 et 8, et sur les fig. 11 et 13, on a représenté la zone d'appui périphérique fixe 8; cette zone d'appui est constituée par un patin solidaire du carter 4. pour maintenir le bras Il tout en permettant sa libre dilatation et le rattrapage du jeu radial, une entaille 37 est ménagée dans ce patin. Les zones d'appui pérphériques mobiles axialement 19 et 20 sont avantageusement sollicitées par des moyens de rappel élastiques vers la piste lisse périphérique -2 correspondante. Comme montré sur la fig.. 3, ces zones d'appui périphériques mobiles axialement 19 et 20 sont constituées par des patins comportant une portée de guidage cylindrique 38 guidée dans une gorge axiale 39, des ressorts à action radiale 40 appuyant la -susdite portée de guidage 38 contre la susdite gorge 39.. Les secteurs de joints d'étanché.ité frottants 14, 15 et 16 reliant les trois zones d'appui périphériques fixes 8, 9 et 1.0 comportent, au niveau de chacune de ces trois zones, des éléments permettant la libre dilatation et le rattrapage du jeu circonférentiel. Sur les fig. 5 et 11, on a représenté la zone d'appui périphérique fixe 8. Le secteur de joint 14 qui y aboutit comporte un tel élément qui est constitué par un ressort 41 interposé entre l'extrémité dudit secteur 14 et le fond d'un logement 42 ménagé dans le patin constituant la zone d'appui 8. Dans le cas où l'élément tournant i comporte des pistes lisses péri phériques 2 et centrales 3 qui sont constituées par des brides rapportées faisant saillie (fig. 5 à 10), les bras 11, 12 et 21, 22 comportent, à chacune de leurs extrémités, des languettes d'étanchéité. Sur les fig. 5, 7, 8, on a représenté l'extrémité du bras Il située du côté de la piste lisse périphérique 2. Le bras 11 est muni d'une languette d'étanchéité 43 poussée par un ressort 44 vers le bord interne 45 de la piste lisse périphérique 2. Sur les fig. 6, 9, 10, on a représenté l'extrémité du bras 11 située du côté de la piste lisse centrale 3. Le bras 11 est muni d'une languette d'étanchéité 46 poussée par un ressort 47 vers le bord externe 48 de la piste lisse centrale 3. En ce qui concerne le montage des bras 1i, 12, 21, 22 par rapport à la séparation interne 7, on peut avoir recours à la solution montrée séparation interne on peut avoir recours à la solution montrée sur la fig. 14. Sur cette fig. 14, on a montré le bras 11 encastré- dans un logement 49 ménagé dans la séparation interné 7. Une baguette d'étanchéité 50 est disposée dans une gorge longitudinale 51 ménagée dans le bras 11. En ce qui concerne les joints d'étanchéité radiaux non frottants 17, 18, 25, 26, ils peuvent avantageusement être constitués par un matériau abradable, fixé par tout moyen approprié sur les bras 11, 12, 21, 22 correspondants. Finalement, et quel que soit le mode de réalisation, on dispose d'un échangeur de chaleur rotatif dans lequel les moyens d'étanchéité sont efficaces, aussi bien sur le plan de l'étanchéité radiale que sur le plan de l'étanchéité circonférentielle. De plus, l'efficacité de ces moyens d'étanchéité n'est pas altérée par les déformations thermiques des organes constitutifs de l'échangeur. L'échangeur de chaleur conforme à l'invention constitue donc un élément important, par son efficacité, sa fiabilité et son rendement, dans une installation de turbines à gaz. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur rotatif, comportant un élément tournant muni, sur chacune de ses deux faces latérales, d'une piste lisse périphérique et d'une piste centrale, cet elément tournant étant interposé entre deux carters délimitant de chaque côté une enveloppe d'allure circulaire et une séparation interne formant deux conduits dans lesquels circulent respectivement le fluide chaud et le fluide froid, caractérisé par le fait que, l'un des deux carters, (4 > , comporte, d'une part, trois zones d'appui périphériques fixes (8, 9, 10), coopérant avec la piste lisse péri phérique (2) de la face considérée de l'élément tournant (1), deux de ces trois zones d'appui périphériques , (8, 9), étant disposées au voisinage de deux bras (11, 12) formant la séparation interne (7 > , et, dtautre part, une zone d'appui centrale mobile axialement (13), coopérant avec la piste lisse centrale (3) de cette même face, un joint d'étanchéité frottant (14, 15, 16) reliant les trois susdites zones d'appui périphe- riques (8, 91 tQ) et coopérant avec la susdite piste lisse périphérique (2), et deux joints radiaux non frottants (1-7, 78) portés par les deux susdits bras (11, 12) montés entre les deux zones d'appui periphériques (8, 9) et la zone d'appui centrale (13), et l'antre carter, (5 > , comporte, d'une part, deux zones d'appui périphériques mobiles axialement (19, 20 > , coopérant avec la piste lisse périphérique (2) de la face considérée de l'élément tournant (1), ces deux zones d'appui périphériques (19, 20) étant disposees au voisinage de deux bras (21, 22) formant la séparation interne (7 > , et, d'autre part, une zone d'appui centrale mobile axialement (23), coopérant avec la piste lisse centrale (3) de cette même face, un joint d'étanchéité frottant (24) reliant, au moins d'un côté, les deux susdites zones d'appui périphériques (19, 20) et coopérant avec la susdite piste lisse périphérique (2), et deux joints radiaux non frottants (25, 25) portés par les deux susdits bras (21, 22) montés entre les deux zones d'appui périphériques (19, 20) et la zone d'appui centrale (23), l'ensemble de ces joints d'étanchéité périphériques frottants et radiaux non frottants étant disposés et agencés de façon à pouvoir se déformer librement tout en continuant à assurer leur fonction dlétanché- ité. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé.par le fait que les pistes lisses périphériques 2 et centrales 3 des deux faces de l'élément tournant 1 sont constituées par des brides rapportées faisant saillie au-delà des faces considérées. 3. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les pistes lisses périphériques 2 et centrales 3 des deux faces de l'élément tournant 7 sont constituées par des zones localement traitées de l'élément tournant 1 proprement dit, de telles zones ne faisant alors pas saillie au-delà des faces considérées. 4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications I à 3, dans lequel l'élément tournant 1 est soumis à une force résultante excentrée, caractérisé par le fait qu'il est prévu un dispositif d'équilibrage (27) engendrant une force d'équilibrage sur l'élément tournant (1). 5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ce dispositif d'équilibrage (27) est disposé au droit de la zone d'appui périphérique (10) qui se trouve entre les deux bras (21, 22) de la séparation interne (7 > . 6. Echangeur selon la revendication 4 ou 5 et selon la revendica- tion 2, caractérisé par le fait que ce dispositif d'équilibrage (27) est constitué par une roulette (28 > poussée par un ressort (29) contre une couronne (30) solidaire ae la bride constituant les pistes lisses périphériques (2 > de l'élément tournant ( 7. Echangeur selon la revendication 4 ou 5 et selon la revendica- tion 3, caractérisé par le fait que ce dispositif d'équilibrage (27 > est constitué par un patin t31) poussé par un ressort f322 contre la piste lisse périphérique (2) de la face correspondante de l'élément tournant 8.Echangeur selon l'une quelconque des revend-cations 1 à 7, caractérisé par le fait que les bras (11, 12, 21, 22) sont montés entre leurs zones d'appui respectives par l'intermédiaire d'entailles (3, 37) permettant leur libre dilatation et le rattrapage du jeu radial. 9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les zones d'appui périphériques mobiles axialement (19, 20) sont constituées par des patins comportant une portée de guidage cylindrique (38) guidée dans une gorge axiale (39), des ressorts à action radiale (40) appuyant la susdite portée de guidage (38) contre la susdite gorge (39). 10. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les joints frottants (14, 15, 16, 24) sont montés entre leurs zones d'appui périphériques respectives par l'intermédiaire d'éléments (41, 42) permettant leur libre dilatation et le rattrapage du jeu circonférentiel. il. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les bras (11, 12, 21, 22) comportent, à chacune de leurs extrémités, des languettes d'étanchéité poussées vers le bord correspondant de la piste lisse périphérique (2)-ou centrale (3). -12. Echangeur selon liane quelconque des revendications 1 à 11, Ca- ractérisé par le fait que les bras (11, 12, 21, 22Y sont encastrés dans un logement (49) ménagé dans-la séparation interne (-7), une baguette d'étanchéité (50) étant disposée dans-une gorge longitudinale (51) ménagée dans le bras. 13. Echangeur selon ltune quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que les joints d'étanchéité non frôttants (17, -18, 25,-2w6) sont constitués-par un matériau abradable fixé sur les bras correspondants, respectivement (11, 12, 21, 22).