Brevet FR2121538A1 — publié le 19720825

i 2121538 La présente invention concerne les joints pour régénérateurs rotatifs qui utilisent une matrice ( par exemple un disque en métal poreux ou en céramique ) qui est entraînée en rotation de sorte que chaque partie de la matrice passe successivement à travers deux trajets d'écoulement de fluide, absorbant la chaleur d'un fluide plus chaud et la délivrant à un fluide plus froid dans ces trajets d'écoulement. L'une des applications de tels régénérateurs, consiste à effectuer un préchauffage de l'air de combustion dans les moteurs à turbine à gaz. Dans une telle application, il existe une très grande différence - de -pression entre l'air comprimé qui est chauffé et les gaz d'échappement de la turbine qui cèdent leur chaleur. Afin d'éviter les fuites du fluide sous pression élevée dans le trajet du fluide à basse pression et également pour éviter que chacun des fluides ne contourne la matrice, on prévoit d'utiliser des joints detanchéité qui s'étendent autour du périmètre de l'un ou des deux trajets d'écoulement,sur chaque, face du régénérateur, comblent l'espace entre le disque du régénérateur et une face de l'organe formant enceinte qui est voisin de la matrice. Du fait des températures extrêmement élevées auxquelles un tel régénérateur doit fonctionner lorsqu'il est utilisé avec des turbines à gaz, la réalisation d'un joint d'étanchéité approprié, durable et économiquement réalisable a présenté des problèmes difficiles. Dans les dispositifs de joint d'étanchéité courants pour régénérateurs, utilisés avec des moteurs à turbine à gaz, l'élément d'étanchéité effectif est normalement réalisé en une matière d'usure appropriée, telle que du graphite ou une composition à base de graphite adaptée aux exigences de l'installation. Ces joints de graphite, sous la forme de segments d'usure sont fixés à une plate-forme de support appropriée réalisée par exemple en acier. Un procédé pour fixer ces éléments d'usure à la plate-forme consiste à les coller sur ladite plate-forme au moyen d'un caoutchouc au silicone,qui est l'un des meilleurs adhésifs et produits d'étanchéité disponibles pour les hautes températures. Cependant, l'emploi de caoutchouc au silicone pour de telles applications est limité du fait que les températures de fonctionnement exigées dépassent souvent les possibilités du caoutchouc au silicone. Un second procédé, mais qui est plus coûteux, pour "ixer ces segments d'usure, implique l'emploi de vis ou de rivets noyés pour fixer ces segments d'usure à la plate-forme de support. BAD ORIGINAL 1 72 00010 2 2121538 L'emploi de tels dispositifs de fixation présente, cependant, plusieurs inconvénients ; notamment du fait que la détermination précise de la position d'un grand nombre de perçages pour recevoir les dispositfs de fixation est onéreux et, en second lieu, du 5 fait que des contraintes élevées sont concentrées dans ces éléments d'usure aux emplacements des trous borgnes ce qui entraîne des craquelures ou fissures dans le graphite ou les matières similaires normalement utilisées pour la fabrication de ces éléments d'usure. 10 L'invention a en conséquence, pour but principal d'amé liorer les joints dfétancljéité des régénérateurs, en fixant les éléments d'usure^joint à la plate-forme de support d'une manière qui ne présente pas les inconvénients précités. D'autres caratcéristiques de l'invention apparaîtront au 15 cours de la description qui va suivre, fait en se référant aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels : la Fig. 1 est une vue schématique d'un régénérateur rotatif prise dans un plan contenant l'axe de rotation d» la matrice ; 20 la Pig. 2 est une vue en coupe, suivant la ligne II-II de la Fig. 1, montrant l'un des joints d'étanchéité du régénérateur de la Fig. 1; ce joint étant construit suivant l'invention ; la Fig. 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-IIÏ de la Fig. 2 montrant un mode de réalisation du joint pour régé-25 nérateur suivant l'invention, à plus grande échelle ; la Fig. 4 est une vue partielle à plus grande échelle de la Fig.3 montrant un autre mode de réalisation du joint suivant l'invention ; la Fig. 5 est une vue à plus grande échelle d'une partie 30 du joint montrant la jonction entre deux segments de joint et d'usure ; et la Fig. 6 est une vue en coupe d'une matrice à laquelle est fixé un élément de joint et d'usure selon l'invention. On se référera maintenant à la Fig. 1, qui montre un ré-35 générateur rotatif qui comporte un corps 10 ayant dans son en- ] semble la forme d'un tambour et qui renferme une matrice 12 en matière foraminée qui est telle qu'elle comporte une multitude de pores ou passages 14 (fortement agrandis sur la Fig. 1 ) s'é-tendant d'une face à l'autre de la matrice dans une direction à 40 peu près parallèle à l'axe de rotation défini par un arbre 16 en- COPY 72 00010 3 2121538 traînant la matrice et la maintenant en position . L'arbre 16 tourillonne d'une façon appropriée dans un bossage 18 du corps 10 et se termine par un croisillon qui est raccordé à la matrice de façon que celle-ci puisse être entraînée lanternent en rotation. 5 La matrice comprend, de préférence, une partie interne circulaire 22 non poreuse et une partie externe circulaire 24 non poreuse, mais ces parties "ne sont pas essentielles. Un espace à peu près cylindrique 26 est délimité à l'intérieur de la matrice et un espace 28 s'étend autour de la périphérie de la matrice 10 à l'intérieur du corps 10. Une entrée 30 pour l'air froid sous pression est prévue dans une face du corps,et, à l'opposé de cette entrée, une sortie 32 est prévue pour l'évacuation de l'air comprimé qui est chauffé après avoir traversé la matrice. Des■ gaz d'échappement chauds à 15 basse pression pénètrent par une entrée 34 et sortent du régénérateur par une sortie 36, les deux courants s*écoulant ainsi en sens inverse l'un par rapport à l'autre, dans le mode de réalisation du régénérateur représenté. Comme représenté, le passage du gaz chaud occupe une plus grande surface que le passage de l'air 20 froid du fait de la différence de masse volumétrique entre ces fluides. Un dispositif de joint d'étanchéité 38 est prévu entre chaque face de la matrice et le corps pour contraindre les fluides chaud et froid à suivre les trajets d'écoulement désirés à tra-25 vers la ma-trice, de l'entrée à la sortie, et pour réduire au minimum les fuites entre les trajets. Comme montré plus clairement sur la Fig. 2, ce joint comporte deux bras 40 et 42, s'étendant radialement par rapport à la face de la matrice, de préférence réunis ensemble au centre de la matrice et réunis, au bord exté-10 rieur de la matrice par un joint de bordure incurvé, ou joint de contournement 44 s'étendant autour du trajet haute pression et m joint de bordure incurvé 46 s'étendant autour du trajet basse pression.Le dispositif de joint délimite ainsi une ouverture 49 pour l'air chauffé à haute pression et une ouverture 50 pour les gaz chauds d'échappement à basse pression;ces ouvertures, 35 ccmifâ montré sur la Fig. 2 ,épousent respectivement la forme des conduits 32 et 34. Les bras de joint d'étanchéité 40 et 42 pris ensemble, peuvent être désignés par l'expression "joint transversal ",étant situés entre les trajets de fluide haute et basse pression, les parties 44 et 46 du joint peuvent être désignés par l'expression 40 " joints de bordure" ou " de contournement ", ces joints étant en COPY 72 OÛOIÛ 4 2121538 contact avec la matrice au voisinage de sa périphérie. Le joint de bordure 44 et le joint transversal entourent le passage haute pression et le joint transversal et la partie du joint de bordure 46 entourent le passade du gaz à basse pression. 5 Si l'on se reporte aux Fig. 2 et 3> on voit que ce dis positif de joint comporte une plate-forme de support ou porte-joint 48 qui, dans le mode de réalisation représenté, consiste en une partie périphérique circulaire formant la partie de base des joints de bordure 44 et 46 et une partie formant traverse compor-10 tant une ouverture, formant la base des parties de joint de traverse 40 et 42. De préférence, ce support est constitué par un organe unitaire réalisé à partir d'une forte tôle de sorte qu'il soit rigide dans la direction perpendiculaire à l'axe de rotation de la matrice, mais soit capable de fléchir, dans une certaine 15 mesure, dans une direction parallèle à l'axe de rotation de la matrice. Cette plate-forme , ou porte-joint 48, est maintenu La plate-forme ou porte-joint 48 porte les éléments de joint et d'usure, désignés dans leur ensemble par la référence 54, qui sont fixés à la plate-forme de la façon que l'on décrira ci-après. Ces éléments de joint et d'usure sont les éléments qui en-30 trent effectivement en contact avec la matrice, sur l'ensemble de la circonférence des joints de bordure et suivant la longueur des joints transversaux. Ces éléments d'usure sont composés d'une matière ou de matières adaptées aux exigences de l'installation et, dans le mode de réalisation représenté, sont formés de gra-35 phite ou d'une composition à base de graphite, comme il est bien connu dans la technique. Le porte joint 48 et les éléments d'usure 54 qui sont fixés sur lui de la manière que l'on décrira ci-après, peuvent être maintenus à l'intérieur du corps 10, comme représenté sur la Fig. 3, 40 Par un dispositif de joint d'étanchéité secondaire qui comporte 72 00010 2121538 un élément de joint 56, un élément de support 58, une plaque de support 60 et un élément formant charnière ou bande de butée 62, l'élément de joint 56, l'élément ;'.e support 58 et l'élément 62 formant charnière étant soudés ensemble et au porte-joint 48. 5 En se référant à nouveau à la Fig. 2, on voit que les éléments d'usure 54 de ce dispositif de joint sont réalisés sous forme de segments séparés ayant la configuration désirée, de sorte que, lorsqu'ils sont assemblés avec le porte-joint, ils s'adaptent à la forme de celui-ci. Dans le mode de réalisation re-10 présenté, six segments d'usure de forme incurvée sont fixés à la partie constituant le bord annulaire du porte-joint 48 pour constituer les joints de bordure 44 et 46 tandis qu'un élément d'usure unique comportant une ouverture est fixé à la partie transversale, ayant un orifice, du support, pour former les parties 40 15 et 42 du joint transversal. Les extrémités des segments d'usure de forme incurvée sont en forme de S, les sections reliant les parties recourbées des extrémités adaptées l'une dans l'autre d'une paire de segments venant en appui l'un contre l'autre à contact étanche, comme représenté sur la Fig. 5, un intervalle 20 étant prévu pour la dilatation entre les parties recourbées s'a-daptant l'une à l'autre des segments contigtis. Comme représenté sur la Fig.5, les surfaces d'extrémité en butée des segments incurvés ne sont pas fixées au porte-joint 48. Suivant l'invention, les segments d'usure individuels 25 54 de ce dispositif de joint d'étanchéité sont fixés sur le porte-joint par un revêtement déposé sous forme de plasma qui est lié au métal du porte-joint et recouvre partiellement un bord convergeant des segments d'usure. Ce revêtement de plasma assure le maintien des segments d'usure sur le porte-joint et assure l'étan-30 chéité entre ces segments d'usure et le porte-joint. Pour lier les segments de joint et d'usure au porte-joint au moyen d'une projection de plasma, il faut tout d'abord nettoyer le porte-joint, par exemple avec un système à vapeur dégraissante, comme il est bien connu,pour enlever toute les huiles et autres 35 produits gras contaminants. Après dégraissage, le porte-joint est masqué au moyen du rubans de verre d'une façon telle que seules les zones qui doivent être soumises à la projection sont laissées découvertes. Dans cette condition dans laquelle il est masqué par du verre, le porte-joint est sablé avec une matière abrasive 40 appropriée telle que de l'alumine (Al^o^) en poudre de 80. 10 72 OQOlû 6 2121538 Après le sablage, le porte-joint est nettoyé avec un jet d'air propre et sec pour chasser toutes les particules de poussière. Après qu'il a été nettoyé, le porte-joint est alors transféré pour être fixé sur un dispositif de projection de plasma, après quoi les serments d'usure sont disposés dans leur position appropriée. Les segments d'usure sont maintenus et sWrés contre le porte-joint de telle sorte que, par exemple, seul le périmètre intérieur du joint soit exposé à rece/oir la projection de plasma. La phase suivante consiste à projeter du plasma sur la zone exposée, le périmètre intérieur du joint dans cet exemple, de façon à former une mince couche de revêtement de liaison 64, par exemple avec une matière de liaison constituée par un alliage d'aluminium et de nickel, tel que le produit appelé "Metco 450 " (4,5$ d'aluminium, le reste de nickel) qui est une poudre pour l5 projection au chalumeau fabriquée par la société Metco Inc., Westburrv,Lontg Island, New York (E.U.A). Après le dépôt du revêtement de liaison, une poudre composite nickel-graphite (75 Ni 25% C%) par exemple, est projetée sous forme de plasma sur le revêtement de liaison pour former un revêtement de retenue 66, qui vient 20 en butée sur le côté du segment d'usure, comme représenté sur la Fig.3. Après cette opération, le périmètre extérieur du joint est découvert, et ensuite, les deux dernières phases du procédé décrites ci-dessus sont à nouveau répétées, dans le même ordre, sur le périmètre extérieur du joint0 Toute projection débordant de 2r la zone désirée est alors nettoyée,si on le désire et cet ensemble de joint composite est alors prêt à être utilisé dans un régénérateur rotatif. Cependant, si une matière d'usure appropriée telle que la poudre de graphite revêtue de nickel, est utilisée pour effectuer jO la liaison,le revêtement de maintien, ou de retenue, en plasma peut, selon une variante, s'étendre vers le haut le long du segment de joint et d'usure, pour fournir un revêtement de retenue 66a en plasma, comme représenté sur la Fig.4, étant donné qu'il n'endommage pas la matrice 12. L'emploi d'une telle matière 75 appropriée pour le revêtement de retenue en plasma supprime la nécessité de nettoyer les débordements de projection ou de prévoir un masquage spécial avant l'application du revêtement. Ainsi, dans un autre mode de réalisation tel que représenté sur la Fig.6, un élément d'usure 54a, peut être fixé par un revêtement de liaison 64 et un revêtement de retenue en plasma 66a, BAD ORIGINAL COPY 72 00010 2121538 directement à la partie formant le bord extérieur 24 de la matrice 12 qui comporte une rainure annulaire ou une partie en gradin 24a sur chacune de ses faces pour loger les éléments de joint et d'usure, un revêtement de retenue en plasma supplémentaire r-fb étant ? appliqué dans le joint plat entaillé entre l'élément d'usure 54a et la partie en gradin 24a de la matrice 12. Dans ce mode de réalisation, l'élément d'usure se trouve ainsi placé pour entrer en contact avec l'ensemble de joint décrit précédemment,le contact étant réalisé de préférence avec les éléments de joint et d'usure 10 54 placés sur ledit ensemble. Eien qu'on ait décrit ci-dessus des matières de revêtement préférées,on doit bien comprendre que diverses autres matières, appropriées pour une projection sous forme de plasma, peuvent être utilisées, qui présentent la combinaison de propriétés telles que 15 l'adaptation aux coefficients de dilatation, la capacité d'agir comme liant et la résistance désirée pour l'application envisagée. Les avantages présentés par l'emploi d'une fixation par une projection de plasma, des segments de joint et d'usure à la plate-forme de support consistant en son coût peu élevé, puisqu'il 20 n'est pas nécessaire de prévoir un usinage précis pour les dispositifs de fixation ni dans les éléments d'usure ni dans la plateforme de support, du fait que les températures élevées de fonctionnement du régénérateur n'ont pas d'effet sur la liaison effectuée par une projection de plasma et que des segments d'usure relaps tivement minces peuvent être utilisés puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir une épaisseur additionnelle eu é^ard aux dispositifs de pixation noyés ou das supports de montage. Par exemple, en ce qui concerne l'avantage mentionné en dernier lieu, dans un mode de réalisation d'un dispositif de joint selon l'invention, le JO porte-joint 48 a une épaisseur d'environ 1,524 mm, le revêtement de liaison n'a pas plus de 0,050e' mm d 'épaisseur,le revêtement de retenue en plasma n'a pas plus de 0,762 mm d'épaisseur,et pas moins de 0,>cl mm d'épaisseur, bien que ces épaisseurs aient été considérablement exagérées sur les dessins, uniquement à des fins J5 d'illustration. BAD ORIGINAL COPY 72 00010 2121538 REVENDIÇATIÇNS 1 - Régénérateur rotatif du type comportant un corps délimitant respectivement deux trajets d'écoulement de fluide pour des fluides à des pressions différentes, le corps comportant une entrée de fluide et une sortie de fluide pour chaque trajet d'écou-5 lement, une matrice d'échange thermique,étant montée dans ledit corps de façon à s'étendre en travers des deux trajets d'écoulement, ladite matrice étant perméable à l'écoulement du fluide, étant adaptée pour transférer la chaleur entre les fluides et montée rotative autour d'un axe de sorte que des parties de la matrice sont 10 alternativement chauffées par un fluide et refroidies par l'autre fluide, des moyens formant joints d'étanchéité étant disposés entre le corps et la matrice pour cantonner chaque fluide dans son trajet d'écoulement, lesdits moyens formant joints détanchéité comportant chacun une plate-forme de support comportant une partie 15 de bordure circulaire épousant la forme de ladite matrice et une partie formant traverse reliée à ses extrémités opposées à ladite partie de bordure circulaire pour former avec elle deux trajets d'écoulement, complémentaires des trajets d'écoulement formés dans ledit corps, et comportant des éléments de joint d'usure disposés 20 sur la plate-forme de support, caractérisé en ce qu'une matière de liaison déposée par projection de plasma (64,66) est fixée à la plate-forme support (48) et aux éléments de joint d'usure (54) pour fixer lesdits éléments d'usure (54) à la plate-forme de support et assurer l'étanchéité entre eux et ladite plate-forme (48). 25 2 - Régénérateur rotatif suivant la revendication 1 ca ractérisé en ce que la matrice (12) comporte une rainure annulaire (24a) sur chacune de ses faces, des éléments de joint d'usure (54a) étant disposés dans ladite rainure annulaire (24a) de façon à être en contact avec les éléments d'usure (54) prévus sur la partie de 30 bordure circulaire de la plate-forme de support (48) et une matière de liaison déposée sous forme de plasma par projection (66a,66b) étant fixée à la matrice (24) et aux bords des éléments d'usure disposés dans la rainure (24a) pour fixer lesdits éléments d'usure à la matrice et assurer l'étanchéité entre lesdits éléments et 35 la matrice. 3 - Régénérateur rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière projetée sous forme de plasma comprend une couche de matière de revêtement de liaison (64) appliquée contre la plate-forme de support et une couche de matière 72 ÛÛ010 2121538 de retenue en plasma (66) sur ladite couche de matière de revêtement de liaison. 4 - Régénérateur rotatif suivant la revendication 3* caractérisé en ce que la couche de matière de revêtement de liaison (64) appliquée contre la plate-^orme de support est un alliage d'aluminium et de nickel et la couche de matière de retenue en plasma est en une matière comprenant 75$ de nickel et 25$ de graphite.