Brevet FR2486222A1 — publié le 19820108

ECHANGEUR DE CHALEUR FIXE A BLOC MASSIF ET APPLICATION A UN RECHAUFFEUR D'AIR POUR TURBOMACHINE L'invention est relative à un échangeur fixe de chaleur de fluides utilisable notamment comme réchauffeur diapir pour turbomachine à combustion. L'échangeur de chaleur de l'invention est du genre comprenant - un bloc échangeur massif dans lequel sont ménagés de bout en. bout des canaux parallèles répartis en deux groupes de canaux respectivement parcourus par l'un et l'au- tre fluide, lesdits canaux étant disposés en rangées de canaux appartenant alternativement à l'un et à l'autre groupe, - deux collecteurs disposés de part et d'autre du bloc échangeur et comportant chacun deux chambres dont l'une communique avec tous les canaux d'un groupe et l'autre avec tous les canaux de l'autre groupe. Les procédés modernes de forage (électrolytique, par électro-érosion, par bombardement électronique, par faisceau laser, etc...) permettent la réalisation de blocs échangeurs massifs efficaces car comportant des réseaux denses de canaux fins pour le passage de fluides à l'état liquide ou gazeux. Ces blocs échangeurs sont en outre étanches, compacts et rigides, donc peu sensibles aux vibrations. Cependant, l'adjonction des collecteurs détruit en partie ces avantages car, quelle que soit la disposition relative des deux chambres de chaque collecteur, les conduits de communication entre ces chambres et les canaux du bloc s'entrecroisent nécessairement. I1 en résulte un accroissement de I'encombrement et des difficultés de réalisation (assemblage, contre, etc...).Ces inconvénients sont particulièrement sensibles lorsqu'il s'agit de réchauffeurs d'air pour turbomachines aéronautiques, ces réchauffeurs devant répondre à des exigences particulières de masse , et de fiabilité. L'objet de l'invention est de fournir un échangeur fixe de chaleur de fluides (et notamment un réchauffeur diapir pour turbomachine aéronautique) du genre précité mais présentant à un plus haut degré, par rapport aux échangeurs connus du meme genre, les avantages suivants : compacité, fiabilité, moindre masse, facilité de réalisation et de contre. L'échangeur fixe de chaleur de fluides de l'invention est essentiellement caractérisé en ce que chaque collecteur présente une paroi plane appliquée contre l'une des faces du bloc échangeur par laquelle débouchent les canaux, en ce que les deux chambres de chaque collecteur sont contigües et séparées par une cloison mitoyenne parallèle à la direction des canaux et en ce que chacune de ces chambres communique avec la totalité des canaux d'un groupe par autant de lumière menagées dans ladite cloison mitoyenne et dans la paroi plane que ledit groupe comprend de rangées de canaux, chaque lumière mettant ladite chambre en communication avec tous les canaux d'une rangée. Les rangées de lun des groupes de canaux du bloc échangeur alternant avec les rangées de autre groupe, il en résulte que les lumières faisant communiquer dans chaque collecteur l'une des chambres avec les canaux d'un groupe alternent avec les lumières faisant communiquer l'autre chambre avec les canaux de l'autre groupe. Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, la cloison mitoyenne de chaque collecteur s'épanouit vers le bloc échangeur pour former un volume de section courante triangulaire dont la base forme la face plane qui s'applique contre le bloc échangeur et dans lequel sont alternativement ménagées les lumières de communication avec les rangées de l'un et de l'autre groupe de canaux. On verra qu'il suffit alors d'une simple opération de fraisage pour ménager chaque lumière. Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, l'invention permet de réaliser un réchauffeur d'air pour turbomachine à combustion, ce réchauffeur étant en fait un échangeur selon l'invention dans lequel les deux groupes de canaux sont respectivement parcourus par l'air à réchauffer et par des gaz de combustion. Slil s'agit d'un réchauffeur annulaire destiné à entourer une paroi cylindrique de la turbomachine, le bloc échangeur est alors de forme annulaire, les canaux sont parallèles à ltaxe de révolution du bloc, les deux collecteurs sont eux aussi annulaires et la cloison mitoyenne de chaque échangeur est une cloison annulaire séparant les deux chambres qui sont annulaires et concentriques. On peut alors adopter pour la cloison annulaire la configuration épanouissante déjà citée, le volume de section triangulaire devient un anneau de section triangulaire dont la base s'applique contre le bloc et dans lequel sont alternativement ménagées les lumières de communication avec les rangées de canaux de l'un et liau- tre groupe.Ces lumières sont de simples fraisages prismatiques de section courante oblongue, le plan médian de chaque lumière coincidant évidemment avec le plan passant par l'axe des canaux de la rangée correspondante. Une dernière disposition avantageuse consiste à aligner es canaux de chaque rangée et la lumière correspondante de chaque collecteur dans un plan orienté obliquement (avantageusement à 450) par rapport au plan passant par l'axe du bloc échangeur annulaire et par l'axe d'un canal médian de cette rangée. On verra que cette disposition permet diac- croître la densité du réseau de canaux et/ou de diminuer le nombre des lumières nécessaires tout en facilitant le forage des canaux. L'invention sera mieux comprise à la lecture des descriptions d'exemples de réalisation qui suivent et qui se réfèrent aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un échangeur conforme à l'invention. - les figures 2, 3 et 4 sont des sections transversales dudit échangeur prises respectivement selon les plans 2-2, 3-3, et 4-4 de la figure 1, - la figure 5 est une demi-coupe axiale d'un réchauffeur d'air annulaire conforme à l'invention destiné à une turbomachine aéronautique, - les figures 6, 7, 8 et 9 sont respectivement des sections transversales partielles dudit réchauffeur prises respectivement selon les plans 6-6, 7-7, 8-8 > et 9-9 de la figure 5. Afin de faciliter l'examen des dessins, on a volontairement omis d'y représenter les éléments ou organes dont la mention n'est pas utile à la compréhension de l'invention, tels que les pions ou cordons de repérage ou de centrage, les boulons de fixation, les joints ou cordons d'étanchéité, etc... On considère d'abord simultanément les figures 1,2, 3 et 4. Elles représentent un échangeur parcouru par un fluide chaud A gazeux ou liquide et par un fluide froid B gazeux ou liquide. Les flèches montrent les sens de circulation de ces fluides. On voit qu'il s'agit d'un échangeur à contrecourant. Le bloc échangeur 10 proprement dit est constitué par une matrice de forme parallélipîpédique accolée par ses faces planes diextrwemité respectivement à des faces planes des collecteurs 20 et 30. La fixation des collecteurs à la matrice est assurée au moyen de brides 11 (pour la matrice) et 26 ou 36 (pour les collecteurs). Si, compte-tenu de ses cotes transversales (dimensions, diamètre et pas de canaux!, la matrice est trop longue pour être réalisée en une seule pièce, il suffit évidemment de la fragmenter en au moins deux tronçons. Des canaux parallèles 12A (destinés à la circulation du fluide A) et 12B (destinés à la circulation du fluide B) sont ménagés à pas constant dans toute la longueur du bloc 10. Ils forment des rangées verticales 13A de canaux 12A alternant avec des rangées verticales 133 de canaux 12B. Il existe entre les rangées 13A d'une part et 13B d'autre part un décalage d-un demi-pas afin d'assurer une disposition générale des canaux en quinconce. Le diamètre et le pas des canaux ont été sensiblement exagérés dans les figures et leur nombre a été réduit en conséquence. Le collecteur 20 et le collecteur 30 ont tous deux une forme générale parallélipipédique. Le collecteur 20 est divisé en deux chambres superposées 21A et 21B (21B étant disposée au-dessus de 21A) par une cloison mitoyenne 22. Celle-ci s'épanouit en direction du bloc 10 pour former un prisme 23 de section courante verticale triangulaire isocèle dont la base coincide avec la face du collecteur 20 qui s'applique contre le bloc 10.Dans ce prisme 23 sont ménagées en alternance d'une part des lumières verticales 24A dont chacune met en communication la ch-ambre inférieure 21A avec les canaux 12A d'une meme rangée verticale 13A et d'autre part des lumieres verticales 24B dont chacune met en communication la chambre supérieure 213 avec les canaux 12B dtune même rangée verticale 133. Enfin, une tubulure d'admission 25A admet le fluide A dans la chambre 21A tandis qu'unie tubulure de sortie 25B permet la sortie du fluide B de la chambre 213. La constitution du collecteur 30 est identique à celle du collecteur 20. Sur la figure on a représenté à titre d'exemple la chambre 31A, de laquelle le fluide A est extrait par la tubulure 35A et qui communique avec les rangées vert:ica- les 13A de canaux 12A par autant de lumières verticales (non représentées) ménagées dans le prisme triangulaire 33 qui forme une partie de la cloison séparatrice 32, disposée au-dessus de la chambre 313 dans laquelle la tubulure 35B admet le fluide B et qui communique avec les rangées verticales 13B de canaux 12B par autant de lumières verticales 34B ménagées dans le prisme 33 entre les lumières de passage du fluide A qui ne sont pas représentées. On fera à ce stade de la description les remarques suivantes -les conduits de fluides entre le bloc et les collecteurs étant des lumières ménagées dans la masse des collecteurs et ceux-ci étant liés avec le bloc par de larges faces planes, 11 ensemble ainsi réalisé présente une compacité et une rigidité maximale, d'où découle du reste une masse minimale; - il suffit d'un simple basculement d'un collecteur en cours d'usinage pour fraiser une série de lumières (par exemple les lumières 243) après avoir réalisé l'autre série (par exemple 24A); - l'échangeur que l'on a décrit est à contre-courant mais peut être rendu "équi-courant" (même sens de circulation des deux fluides dans les canaux) par simple permutation du sens de circulation de l'un des fluides;; - il suffit, dans un collecteur, d'imposer aux deux séries de lumières des translations de sens opposé pour permuter les communications entre les deux chambres et les deux groupes de canaux (pour mettre par exemple dans le collecteur 20 la chambre 21A en communication avec les canaux 12B et la chambre 213 avec les canaux 12A); - dans chaque collecteur, la cloison séparatrice 22 ou 32 et surtout les voiles formés dans le prisme 23 ou 33 par llu- sinage des lumières forment des surfaces importantes d'échange de chaleur; chaque collecteur constitue donc aussi un échangeur supplémentaire. On considère maintenant simultanément les figures 5, 6, 7, 8 et. 9. Il s'agit d'un réchauffeur d'air équi-courant (c'est-à-dire que l'air et les gaz de réchauffage y circulent dans le même sens) de forme annulaire puisqu'il est destiné à entourer une tuyère primaire (non représentée) de turbomachine aéronautique. Le bloc échangeur 50 est un anneau de section axiale rectangulaire dont les deux faces sont respectivement accolées au collecteur annulaire amont 60 et au collecteur annulaire aval 70 par des brides annulaires 51. Des canaux 52A et 52B parallèles à l'axe du bloc échangeur parcourent ledit bloc. Les canaux 52A sont destinés à la circulation des gaz et les canaux 52B à la circulation de l'air. Les canaux 52A sont répartis en rangées équidistantes 53A. Le plan déterminé par l'axe des canaux d'une meme rangée forme un dièdre de 45 avec le plan axial passant au voisinage du ou des canaux médians de cette rangée. Les canaux 52B sont répartis en rangées équidistantes 53B ayant la même disposition angulaire, le mEme nombre de canaux et le m & e pas entre canaux que les rangées 53A et intercalées entre celles-ci. On va maintenant décrire les collecteurs 60 et 70. Afin de condenser la description, on combinera les indications relatives à ces deux collecteurs en mentionnant entre parenthèses les repères des éléments du collecteur 70 et hors parenthèses les repères des éléments du collecteur 60. Le collecteur 60 (70) est divisé en deux chambres annulaires concentriques 61A (71A) et 61B (71 B) par une cloison annulaire mitoyenne 62 (72). Le fond annulaire 66 (76) est constitué par une coiffe amovible portant une partie de la cloison 62 (72) afin due faciliter la réalisation et l'entre- tien du collecteur. La cloison 62 (72) s'épanouit en direction du bloc échangeur annulaire 50 pour former un anneau de section triangulaire isocèle 63 (73) dont la base forme la face du collecteur 60 (70) qui s'applique contre le bloc échangeur 50.Dans cet anneau 63 (73) sont ménagées en alternance, dune. part des lumières oblongues 64A (74A) inclinées dans le sens convenable pour que chacune mette en communication la chambre interne 61A (71A) avec les canaux 52A dgune m8me rangée 53A, d'autre part des lumières oblongues 64B (74B) inclinées dans le même sens pour que chacune mette en communication la chambre externe 613 (71 B) avec les canaux 52B d'une m8me rangée 53B. Ctest seulement pour faciliter la lecture de la figure 5 que des lumières 64A et 74A y sont représentées tout entières dans le plan de la figure ainsi que tous les canaux 52A d'une même rangée. Le collecteur 60 porte au moins une tubulure 65A d'admis sion de gaz chauds dans la chambre 61A et au moins une tubulure 65B d'admission d'air frais dans la chambre 613. Le collecteur 70 porte au moins une tubulure 75A de sortie des gaz refroidis de la chambre 71A et au moins une tubulure 75B de sortie de l'air réchauffé de la chambre 713. Ces tubu- lures peuvent entre évidemment multipliées dans la mesure nécessaire. On peut faire à propos du réchauffeur d'air que l'on vient de décrire en référence aux figures 5,6, 7, 8 et 9, les mimes remarques que celles déjà faites à propos de ltéchan- geur de chaleur des figures 1, 2, 3 et 4, mais il faut en outre attirer ltattention sur les dispositions des rangées de canaux du bloc 50 et des lumières des collecteurs 60 et 70. Le fait d'incliner ces rangées et ces lumières présente 1 t avantage, pour un même pas radial et un même pas circonférentiel entre canaux, d'augmenter le nombre de canaux en communication avec une même lumière, ctest-à-dire de permettre de diminuer le nombre de lumières nécessaires. En outre, le fait de fixer l'inclinaison précisément à 450 par rapport aux plans axiaux permet de simplifier ltusinage des canaux. On constate en effet, sur la figure 8, que les canaux se présentent dans la section du bloc échangeur non seulement alignés selon des rangées inclinées, mais aussi selon des rangées radiales en quinconce. REVENDICATIONS échangeur fixe de chaleur de fluides du genre comprenant: - un bloc échangeur massif (10 ; 50) dans lequel son ménagés de bout en bout des canaux parallèles répartis en deux groupes (12A, 12B ; 52A, 52B) de canaux respectivement parcourus par l'un et l'autre fluide, lesdits canaux étant disposés en rangées de canaux appartenant alternativement à ltun et à l'autre groupe, - deux collecteurs (20, 30 ; 60, 70) disposés de part et d'autre du bloc échangeur et comportant chacun deux chambres (21A, 21B, 31A, 313 ; 61A, 61B, 71A, 713) dont l'une (21A ; 61A) communique avec tous les canaux (12A ; 52A) d'un groupe et l'autre (21B ; 613) avec tous les canaux (12B ; 52B) de l'autre groupe, caractérisé en ce que - chaque collecteur présente une paroi plane appliquée contre l'une des faces du bloc échangeur (10 ; 50) par laquelle débouchent les canaux, - les deux chambres (21A, 21B, 31A, 31B ; 61A, 61B, 71A, 713) de chaque collecteur (20, 30 ; 60, 70) sont conti gües et séparées par une cloison mitoyenne (22, 32 ; 62, 72) parallèle à la direction des canaux1 - chacune de ces chambres (21A, 21B, 31A, 313 ; 61A, 61 B, 71A, 713) communique avec la totalité des canaux (12A, 12B ; 52A, 52B) d'un groupe par autant de lumières (24A, 24B, 34B ; 64A, 64B, 74A, 74B) ménagées dans la cloison mitoyenne et dans la paroi plane que ledit groupe comprend de canaux, chaque lumière (24A) mettant ladite chambre en communication avec tous les canaux (12A) d'une rangée (13A). 2 - Changeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans chaque collecteur (20, 30) la cloison mitoyenne (22, 32) s'épanouit vers le bloc échangeur (10) pour former un volume (23, 33) de section courante triangulaire dont la base forme la face plane qui s'applique contre le bloc échangeur (10) et dans lequel sont alternativement ménagées les lumières (24A, 24B, 34B) de communication avec les rangées (13A, 133) de l'un et de l'autre groupe de canaux. 3 - Réchauffeur d'air pour turbomachine à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux groupes de canaux (52B, 52A) étant respectivement parcourus par l'air à réchauffer et par des gaz de combustion, le bloc échangeur (50) est de forme annulaire, les canaux (52) sont parallèles à l'axe du bloc, les deux collecteurs (60, 70) sont annulaires et la cloison mitoyenne (62, 72) de chaque échangeur est une cloison annulaire séparant deux espaces annulaires (61A, 61B, 71A, 71B) concentriques. 4 - Réchauffeur d'air selon la revendication 3 caractérisé en ce que la cloison annulaire de chaque collecteur s'épanouit vers le bloc échangeur pour former un anneau de se tion triangulaire (63 , 73) dont la base s'applique contre le bloc (50) et dans lequel sont alternativement ménagées les lumières de communication (64A, 64B ; 74A, 743) avec les rangées (53A, 53B) de canaux de l'un et l'autre groupe. 5 - Réchauffeur d'air selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque lumière est un fraisage prismatique de section courante oblongue dont le plan médian coincide avec le plan passant par l'axe des canaux de la- rangée correspondante. 6 - Réchauffeur d'air selon la revendication 5, caractérisé en ce que les canaux de chaque rangée (53A, 53B) et la lumière correspondante (64A, 64B, 74A, 74B) de chaque collecteur (6G, 70) sont alignés dans un plan orienté obliquement par rapport au plan passant par un canal médian de cette rangée et par l'axe du bloc échangeur annulaire (50). 7 - Réchauffeur d'air selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur du dièdre formé par les deux plans est de 450. 8 - Turbomachine aéronautique, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un réchauffeur d'air selon l'une quelconque des revendications 3 à 7.