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Récupérateur tournant.
La présente invention concerne des récupérateurs tournants et plus particulièrement des perfectionnements apportés à des récupérateurs tournants utilisés avec des moteurs à turbina gaz*
Les récupérateurs tournants utilisés avec des moteurs à turbine à gaz comprennent dans l'ensemble une enveloppe qui est divisée en deux compartiments et un tambour qui est monté de manière à tourner dans l'enveloppe.
Le tambour tour- . nant est disposé partiellement dans un des compartiments de l'enveloppe et partiellement dans l'autre de sorte que dos
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parties du tambour sortent constamment d'un compartiment et pénètrent dans l'autre quand le tambour tournât L'un des compar- timens reçoit des gaz d'échappement à basse pression et à haute température du moteur à. tubine à gaz.,tandis que l'autre compartiment.reçoit de l'air à haute pression et à basse tem- péranture d'un compressuer, Les gaz d'échappement chauds réchauf- font donc la partie du tambour située dans un compartiment,
tan- dis que la partie du tambour située dans l'autre compartiment abandonne de la chaleur à l'air contenu dans ce compartiment.
Pour qu'un récupérateur tournant puisse s'ajouter utile- ment à un moteur à turbine à gaz, il doit fonctionner effica- ement, sans exiger un entretien fréquent. On sait que les trois parties les moins efficaces d'un récupérateur. tournant sont 'e tambour t@@rnant les dispositifs de support pour le tam- bour tournant et les joints d'étanchéité qui assurent une sépa- ration effective entre les deux compartiments de l'enveloppe.
Les conditions thermiques extrêmes auxquelles le tam- bour du récupérateur est soumis font qu'il est extrêmement dit- fieile de réaliser un tambour qui travaille de manière efficace pondant des périodes de temps prolongées. Le tambour des récu- pérateurs tournants est en général de section rectangulaire et construit de manière à permettre aux gaz d'échappement de le traverser en pénétrant du côté de sa surface interne pour en ' ressortir ensuite.
Par conséquent, dans le compartiment du tambour que reçoit de la chaleur, les gaz d'échappement sont dirigés sur la surface interne du tambour d'où ils passent à travers le tambour et sortent de l'enveloppe par un pas- sage d'évacuation. Lorsque les gaz d'échappement viennent en contact avec la surface intérieure du tambourins sont beau- coup plus chauds que lorsqu'ils atteignent les parties externes.
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du tambour. Un gradient thermique est donc établi en substance radialement.
Lorsque le tambour sort du compartiment de chaut-
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fagop il est exposé à de làaîr relativement froide qui abaisse sa température et lui fait subir une variation thermique assez importante, Lorsquil quitte le compartiment de retroidisee..' ment,le tambour pénô%10 dans le C 0 m p a t i me n t de chauffage , où. il est à nouveau soumis aux %on 4ratureJ relativement élevées qui régnent dans le coMpartiMent de chauffage. Par conséquette le tàiabour doit être construit de manière à pouvoir se dilater et se contracter en tous sens et directionnellement. De plus, le tambour doit être de construction suffisamment compacte pour que chacune de ses révolutions soit aussi efficace que possible pour trans- mettre de la chaleur d'un compartiment à 1)autre.
Lorsque les deuxcompartiments de l'enveloppé sont disposés l'un par rapport; à l'autr de manière que le compartiment à basse pression soit adjacent au compartiment à haute pres- sion, comme cest le cas dans la présente invention, il existe une différence entre les forces statique et dynamique que le dispositif de montage du tambour subit. Dans des conditions
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dynamiques, la haute pression qui règne dans le plus petit oeqpartïaoA produit me force générale dirigée vers le haut et c'est cette force que le dispositif de montage du tambour doit pouvoir compenser.
Dans des conditions statiques, le dispositif de montage doit être capable de supporter le poids normal du tambour,
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Le dispositif d'étanchÓ1té d'un récupérateur tournant doit séparer effectivement ies deux compartiments pour empêcher
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toute fuite de l*air haute pression directement danoles conduits ! d'échappement sans que le travail utile ait été effectue dans :
1L\ tur- . bine et pour permettre en même temps au tambour de tourner libre- ment et de passer d'un compartiment à Vautre. Les difficultés que l'on rencontre avec les joints d'étanchéité de récupérateur
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tournant sont complexes en raison du nombre de variables assez considérable que les joints d'étanchéité doivent compenser. La forme du tambour. qui traverse les joints d'étanchéité n'est pas constante à tout moment ou pendant un laps de temps donné.
Comme mentionné plus haut, un gradient de températures s'éta- blit et attend radialement dans le tambour dont la section rectangulaire est ainsi légèrement dxformés. Comme les joints d'étanchéité séparent les deux compartiments et sont donc en partie logés dans chacun de ceux-oie des farces différentes agis- sent sur des parties différentes des joints de sorte que ceux-ci doivent être construits pour pouvoir compenser ce manque d'uni- formité. De plus, la différence de pression qui s'exerce de part et d'autre d'un joint d'étanchéité produit un moment tournant qui tend à désligner le joint au point de lui permettre de mordre dans la surface du tambour.
Malgré les variations qui se produisent dans les di- mensions du tambour, le joint d'étanchéité, afin d'être efficace, doit présenter une ouverture par laquelle le tambour puisse passer librement sans que sa rotation soit gênée et, de préférence, sans contact entre le joint et le tambour. En maintenant une distance déterminée entre le tambour et le joint d'étanchéité, on peut fortement prolonger la vie utile du joint d'étanchéité et supprimer une difficulté d'entretien majeure des récupéra- teurs tournants. Mais le jeu existant entre le joint d'étanchéité et le tambour doit être maintenu suffisamment petit pour écarter toute perte notable d'efficacité d'étanchéité.
Cela étant, la présente invention a notamment pour buts de procurer : un récupérateur tournant perfectionné; un récupérateur tournant équipé d'un tambour construit pour fonctionner longtemps et efficacement;
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un dispositif pour supporter le tambour efficacement dans les diverses conditions de fonctionnement statique et dynamique; un dispositif d'étanchéité perfectionné pour un récu- pérateur tournant dans lequel le dispositif d'étanchéité assure une séparation efficace entre les compartiments du récupéra- teur à des pressions différentes sans entraver la rotation du tambour ou sans exiger un entretien excessif;
des joints d'étanchéité pour un récupérateur tour- nant qui maintiennen.t les compartiments efficacement séparés à des pressions différentes tout en permettant simultanément à ' un tambour de section variable de passer librement à travers les joints d'étanchéité.
D'autres buts et avantages spécifiques de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 est une vue en perspective d'un récupérateur tournant perfectionné suivant l'invention, en partie arrachée pour montrerla structure internej la Fig. 2 est une coupe du récupérateur tournant de l'invention suivant la ligna 11-11 de la Fig. 1;
la Fig. 3 est une ooupe à plus grande échelle suivant la ligne III-III de la Fig. 1 montrant en détail le dispositif d'étanchéité d'extrémité, la Fig.4 est une coupe à plus grande échelle suivant la ,ligne IV-IV de la Fig. 3 montrant en détail la construction des joints d'étanchéité longitudinaux; la Fig. 5 est une vue suivant la ligne V-V de la Fig. montrant l'agrafage des joints d'étanchéité longitudinaux; la Fig. 6 est une vue suivant la ligne VI-VI de la Fig. montrant l'agrafage des joints d'étanchéité d'extrémité;
la Fig. 7 est une coupe à plus grande échelle du dis-
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,positif servant à régler la pression exercée sur un joint d'étan- chéité à labyrinthe qui fait partie de la présente invention; la Fig. 8 est une vue en perspective des organes for- mant la matrice du tambour; la Fig. 9 est une coupe fragmentaire à plus grande échelle du dispositif de support du tambour; la Fig. 10 est une vue en perspective d'un dispositif d'étanchéité; et la Fig. 11 est une vue en perspective du tambour partiellement monté.
Les dessins, et particulièrement les Fig.l et 2' , montrent un récupérateur 'tournant 11 qui comprend une enveloppe extérieure cylindrique principale 12 comportant une entrée 13 pour les gaz d'échappement, une sortie 14 pour les gaz d'échap- pement, une entrée 16 peur l'air sous pression et une sortie 17 pour l'air sous pression. On tambour échangeur de chaleur 19 est monté de manière à pouvoir tourner concentriquement dans l'en- veloppe 12 sur un dispositif de montage 18.
L'intérieur du tam- bour 19 est divisé en un compartiment supérieur 21 et un compar- timent inférieur 22 par une chicane 23 et par des dispositifs d'étanchéité 24 et 26. Les extrémités des compartiments 21 et 22 sont rendues étanches par un dispositif d'étanchéité à labyrin- the 27 (décrit en détail plus loin) ainsi que par l'enveloppe et les couvercles d'extrémité 28.
En raison de la disposition de la chicane 23, des joints d'étanchéité 24 et 26, des dispositifs d'étanohéité à labyrinthe 27 et des couvercles 28, les gaz d'échappement qui pénètrent dans centrée 13 doivent traverser le tambour 19 afin d' atteindre là sortie 14. De même, l'air comprimé qui pénètre dans centrée 16 doit traverser le tambour 19 pour atteindre la sortie d'air 17. Le fonctionnement du récupérateur apparaît donc ,clairement;
du gaz chaud à basse pression pénètre dans l'entrée 13
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et chauffe le tambour 19 en passant à travers ce dernier pour sortir par la sortie 14 à une température nettement intérieure et l'air sous pression élevée relativement froid qui pénètre en 16 est chauffé en traversant le tambour 19 lorsqu'il se dirige vers la ; sortie 17.
Il est important que les dispositifs d'étanchéité 24 et 26 réduisent au minimum les fuites d'air comprimé afin d'emp- cher de fortes pertes d'énergie et les dispositifs d'étanchéité doivent être en même temps suffisamment flexiblespour permettre au tambour 19 de tourner librement de façon que des parties de celui-cisortent continuellement d'un compartiment et pénètrent dans l'autre. L'efficacité du récupérateur dépend en grande par- tie de l'aptitude du tambour 19 à absorber une quantité de chaleur maximum des gaz d'échappement en les refroidissant presque jusqu'à la température de l'air d'admission et 4 entraîner cette chaleur dans un compartiment 22,
où elle est transmise à l'air comprimé plus froid qui est ainsi chauffé presque à la température d'admission des gaz d'échappement avant de sortir du tambour.
Comme indiqué à la Fig. 11 ainsi qu'aux Fig. 1 et 2, le tambour 19 comprend deux anneaux d'extrémité 31 qui sont main- tenus espacés l'un de l'autre par des entretoises 32. Los an- Maux d'extrémité 31 comprennent des annoaux intérieurs 33 qui sont encochée le long de leur. circonférences extérieures. Les anneaux encochés 33 engrenant des pignons 34 calés sur un ar- bre d'entraînement 36 et formant ainsi une liaison motrice par laquelle le tambour est entraîné en rotation.
Les anneaux inté- rieurs 33 sont solidaires d'anneaux extérieurs 37 qui comportent des surfaces latérales extérieures concaves 38 coopérant avec le dispositif de support 18 d'une manière décrite en détail plus loin.
Pour construire le tambour 19, on relie initialement les anneaux d'extrémité 33 l'un à l'autre par uno entretoise 32.
On place ensuite une série de tôles minces en substanoe rectangu.' laires 14 (Fig. 8) entre les anneaux 33 près de l'ontretoise 32.
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Comme indiqué à la Fig.8 les tôles C41 comprennent alternative- ment des tôles planes 42 et des tôles ondulées 43. Chaque tôle 42 et 43 a une longueur totale.qui est approximativement égale à la distance séparant les surfaces internes des anneaux 33.Cha- , que extrémité des tôles 42 et 43 présente une encoche 44 qui est destinée à recevoir une des nervures 39 qui font corps avec les anneaux intérieurs 33 et qui font saillie .sur leurs surfaces latérales internes. Lorsque les tôles sont placées entre les an- neaux 31, les nervures 39 s'engagent dans les encoches 44 et les tôles'sont ainsi placées et retenues dans une position détermi- née.
Après avoir disposé un nombre donné de tôles 42 et 43 entre les anneaux 33, on place une seconde entretoise 32 entre les anneaux 33 près des tôles 41 et on la fixe au moyen de boulons 46. On répète le processus jusque ce que la dernière entretoise
32 doive être posée. Comme on ne dispose pas de suffisamment de plaça pour incliner la dernière entretoise à un angle tel qu'elle puisse passer au-dessus de la nervure 39, cette entre- toise est munie d'une encoche 44a qui s'étend d'un côté sur toute la longueur, comme indiqué à la Fig.7. L'entretoise peut alors être simplement glissée en place.
Le tambour comprend donc une série d'entremises ouéfiormes 32 qui sont dirigées radialement et qui sont réparties également à la périphérie du tambour. Les entretoises sont capables de maintenir les minces tôles thermiques 42 et 43 en place de façon qu'elles forment ' une matrice efficace.
Comme expliqué plus haut, la température interne du tambour est supérieure à sa température externe.
Un gradient thermique est donc établi radialement dans le tambour de sorte que ses parties internes sont tendance à se dilater plus que sos parties externes. Les entretoises 32 sont, on général, des éléments cunéiformes présentant une série , d'encoches en U adjacentes qui forment des dents 47 qui sont toutes
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reliées à un organe commun 47a La cunéiformité des entretoises compense la géométrie des empilages de tôles de matrice qui sont plus ou moins rectangulaires* Les encoches en U diminuent la tendance de's entretoises 32 à se cambrer vers l'intérieur sous l'action du gradient de températures considérable qui agit de l'extérieur vers l'intérieur du tambour.
Le .tambour 19 est donc un organe robuste capable d'absorber et do restituer rapidement et efficacement de la chaleur tout en subissant une déformation minimum.
Comme indiqué à la Fig. 9 ainsi qu'aux Fig. 1 et 2, la tambour 19 est monté dans l'enveloppe 12 sur des trains de galets 18. Les trains de galets 18 comprennent un galet supérieur 51 de chaque.côté et deux galets inférieurs 52 de chaque côté. Cha- que galet 51 est .monté de manière à pouvoir tourner 'sur un levier 53, qui pivote à une extrémité en 54 et qui est relié à son autre ex- trémité 56 à un ressort de compression 57. Les galets 51 supportent le poids du tambour 19 dans des conditions statiques et sont rap- pelés contre la surface extérieure concave 38 de l'anneau 37 du tambour. Le ressort 57 rappelle le levier 53 versle haut et maintient ainsi un contact constant entre le galet 51 et la sur- - face 38.
Chaque galet inférieur 52 est monté de manière à pouvoir tourner sur un levier 58 qui pivote à une de ses extrémités 59, tandis que son autre extrémité 61 est rappelée par un ressort de compression 62. Le galet 52 comme le galet 51 vient en contact avec la surface 38 de l'anneau 37 et est maintenu en contact avec celle-ci par le ressort de compression 62 qui exerce une força sur le levier 58 tendant à le faire pivoter dansle sens inverse des aiguilles d'une montre. La combinaison des galets supérieurs 51,et, des galets inférieurs 52 forma un dispositif de support grâce auquel la tambour peut facilement tourner et par laquai il est convenablement supporté dans des conditions stati-
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ques et dynamiques.
L'utilisation des @ @@@@rsssion permet les variations des dimensions du tambour et de l'en- veloppe, ce qui assure un support approprie du tambour à tout moment,
La surface 38 de l'anneau 37 sert non @ surface de roulement pour les galets 51 et 52 mais égalents d surface d'étanchéité coopérant avec le disposti@f d'étonchéité à labyrin the 27.
Comme indiqué aux Fig. 1,2 et 7, un anneau 66 de plus grand diamètre que le diamètre incériour du tambour 19 est monté coaxialement' à ce tambour et est fixé à un anneau d'étanchéité à labyrinthe 67 qui est pressé contre la surface 33 de l'anneau
37 par un ressort 71.La largeur de chaque anneau 66 .est telle que lorsque les fonds 28 sont fixés à l'enveloppe 12, les anneaux 66 portent contre ces fonds et forment un joint d'étanchéité avec eux. Le dispositif d'étanchéité à labyrinthe 27 limite donc le passage des gaz de l'entrée vers la sortie à un trajet qui comprend le tambour 19.
La Fig. 7 montre des détails du dispositif à ressort
71 qui presse l'anneau d'étanchéité à labyrinthe 67 en contact avec la surface 38. Le dispositif à ressort 71 comprend une tête filetée 72 qui fait corps avec une tige 73.La tête filetée 72 est vissée dans le fond 28 de l'enveloppe et est bloquée par un écrou de blocage 74 de manière à pénétrer d'une distance donnée au-delà du fond 28, selon la force que l'on désire exercer sur l'anneau
67. La tige 73 s'engage dans une douille 76 qui est fixée à l'anneau 67 à une extrémité et qui présente un épaulement 77 à son autre extrémité. L'épaulement 77 sert de siège pour une ex- trémité du ressort 78tandis que la tête filetée 72 sert de siège pour l'autre extrémité du ressort 78.
Le ressort 78 exerce une force sur la douille 77 et la presse contre l'anneau 67.
La force exercée par le ressort 78 dépend de la distance séparant l'épaulement 77 de la tête filetée 72 et cette distance peut, être
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réglée comme décrit plus haut. Les dispositifs à ressort 71 sont uniformément répartis autour de la périphérie du tambour 19 (à ses deux extrémités) de sorte que les forces qu'ils exer- cent sont uniformément réparties*
Le dispositif à ressort 71 décrit plus haut comprend un ressort de compression 78 qui rappelle l'anneau 67 contre la surface 38.
Aux endroits situés autour du tambour 19 où la pression d'air qui presse l'anneau 67 contre la'surface 38 est supérieure à la pression d'air qui agit'dans le sons inverse, il peut être nécessaire que certains des ressorts 78 soient des ressorts de traction afin que l'anneau 67 soit pressé contre la surface 38 avec la force voulue. Si aucun moyen n'est prévu pour éliminer une partie de 'la pression qui rappelle l'anneau 67 ^antre la surface 38, une usure excessive se produit et la rota- tion du tambour 19 peut même être entravée.
La description suivante des dispositifs d'étanchéité suivant l'invention est donnée principalement avec référence aux Fig. 1, 3,4 et 10. Chaque joint d'étanchéité longitudinal comprend un organe de support supérieur 81.,auquel la chicana 23 est fixée par des boulons 82. Un mince diaphragme métallique 83 est juxtaposé en dessous du support 81 et est fermement maintenu en place contre ce dernier par un organe de support 84,qui est fixé au support 81 per des boulons de fixation 86. La surface inférieure du support 81 et la surface supérieure du support 84 présentent dos évidements longitudinaux qui formant une chambre 87.
En raison de la chambre 87,une partie du diaphragme 83 vient à une certaine distance des surfaces supérieure et inférieure des sup- ports 84 et 81 respectivement,ce qui permet au diaphragme 83 do fléchir en réponse à des forces appropriées* Un second diaphragme 88 est fixé à la surface intérieure du support 84 et est maintenu! contre ce dernier par deux organes de fixation cspacés 89,qui sont maintenus serrés contre le support 84 par des via 91.
La
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partie médiane de la surface infèrieure du support 84 est 16- gèrement concave de sorte que 10 milieu du diaphragme 88 n'est pas en contact avec le support 84 et est donc libre de fléchir dans les conditions appropriées* Plusieurs patins d'étanchéité 92, 93 ot 94 (Fig. 5) sont fixés à la surface inférieure du diaphragme 88 entre des organes de fixation 89.
Les patins d'étan- chiite sont fixés au diaphragme 88 par des vis 96 qui s'éten- dent vers le haut à travers les patins, le diaphragme88, un bloc d'espacement 97, le diaphragme supérieur 83 et se vissent dans une plaque de fixation supérieure 98..Le bloc 97 s'étend dans une ouverture longitudinale 99 ménagée dans le support 84 et fixe le diaphragme supérieur 83 au diaphragme'inférieur 88.
Cette disposition permet aux patins d'étanchéité 92, 93 et 94 de se déplacer dans un sens transversal à leur longueur (vers le tam- bour 19 ou au-dessus de ce dernier) et de résister en même temps à toute tendance à tourner autour d'un axe longitudinal si un bord d'un patin est soumis à des forces supérieures à celles .qui sont exercées sur son autre bord. ,
L'aptitude des patins d'étanchéité à résister à une rotation autour de leur axe longitudinal est un facteur très important de l'invention en raison du fait que les pressions subies par les patins varient fortement d'un bord à l'autre de leur surfa- ce latérale.
Un bord de chaque patin est exposé aux gaz à haute température et à basse pression tandis que les autres bords sont exposés aux gaz plus froids mais à haute pression* Les différences de pressions exercées sur les bords des patins s'accentuent encore lorsqu'une entretoise 32, en tour- nant, passe en regard d'un patin d'étanchéité car les parties du patin adjacentes à l'entretoise subissent une moindre pression que les parties qui sent exposées aux gaz*
Afin de.maintenir une relation aussi étroite que pos- sible entre les patins d'étanchéité et le tambour 19 sarrs provo-
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quer un contact réel (ou un contact à très faible pression? , on introduit de l'air sous pression par un passage d'admission 102 dans la chambre 87,
d'où il passe par les ouvertures 101 mé- nagées dans le diaphragme supérieur 83 et agit sur le diaphragme inférieur 88, L'air sous pression déforme le diaphragme 88 vers l'extérieur de sorte que le patin 95 s'approche du tambour 19.
En réglant la pression de l'air dans la chambre 87, on peut main- tenir avec précision la relation spéciale existant entre les patins d'étanchéité et le tambour Si le tambour vient en con- tact avec un patin d'étanchéité, grâce à l'aptitude des diaphragmes
83 et 88 à fléchie le patin ne détériore pas le tambour ou ne l'use pas excessivement.
L'avantage obtenu au, moyen d'une série de patins agrafés les uns aux autres 92, 93 et 94 par opposition à un patin unique réside dans l'aptitude de chaque patin à s'adapter séparément au contour axial du tambour qui, comme expliqué plus haut,, peut être déformé axialement dans une mesure variable.
La partie inférieure du joint d'étanchéité longitudinal qui est représentée à la Fig. 4 n'a pas dtd décrite en détail car elle est en substance identique à la partie supérieure, quil'a été.
Les joints d'étanchéité d'extrémité comprennent chacun deux patins d'étanchéité agrafés 106 et 108 (Fig. 6) dont les surfaces extérieures épousent la surface concave 38 de l'anneau
37. Les patins 106, 108 sont fixés à un diaphragme en U 110,qui est à son tour monté sur des blocs de retenue 112. Deux vis à tête
109 fixent les patins 106., 108, le diaphragme 110, un organe d'espacement 107 et une bande d'attache 116 les uns-aux autres
Comme le joint d'étanchéité longitudinal, le joint d'étanchéité d'extrémité est donc monté de manière à être légèrement .flexible et à être sensible à l'air sous pression admis par l'entrée Il)+ pour fléchir vars l'extérieur vers la surface 38.
Comme indiqué
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d'une manière générale en 115, les joints d'étanchéité logitudi- naux et les joints d'extrémité forment un asemblage à rainure et à languette pour réduire au minimum les fuites d'air. Les éléments du joint d'étanchéité d'extrémité décrits plus haut sont montés dans un bottier d'étanchéité d'extrémité 120,clairement représenté à la Fig. 10.
REVENDICATIONS. le Tambour récupérateur tournant) caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison deux anneaux d'extrémité espacés, plusieurs entretoises espacées fixées aux anneaux pour maintenir ceux-ci à une distance déterminée l'un de l'au- tre ,et une matrice thermoconductrice maintenue en place dans les zones définies par les entretoises et par les anneaux.
2.- Tambour récupérateur tournant, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison deux anneaux d'extrémité, plusieurs entretoises en substance cunéiformes fixées aux anneaux d'extré- mité de sorte que ces anneaux d'extrémité soient maintenus espaces l'un de l'autre, chaque entretoise présentant une série de dents cunéiformes maintenues à distance les unes des autres 'par un support commun et une matrice hermoconductrice fixée dans les zones définies par les anneaux et par les entretoises.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Rotating recuperator.
The present invention relates to rotary recuperators and more particularly to improvements made to rotary recuperators used with gas turbine engines *
Rotary recuperators used with gas turbine engines generally comprise a casing which is divided into two compartments and a drum which is rotatably mounted within the casing.
The drum turns. nant is placed partially in one of the compartments of the envelope and partially in the other so that the back
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parts of the drum constantly exit one compartment and enter the other as the drum rotates. One of the compartments receives low pressure and high temperature exhaust gases from the engine to. gas tube., while the other compartment receives air at high pressure and at low temperature from a compressor, The hot exhaust gases therefore heat the part of the drum located in a compartment,
while the part of the drum located in the other compartment gives up heat to the air contained in this compartment.
For a rotary recuperator to be a useful addition to a gas turbine engine, it must operate efficiently without requiring frequent maintenance. We know that the three least efficient parts of a recuperator. The rotating drum are the supporting devices for the rotating drum and the seals which provide an effective separation between the two compartments of the casing.
The extreme thermal conditions to which the recuperator drum is subjected make it extremely difficult to provide a drum that works efficiently and spans extended periods of time. The drum of revolving collectors is generally rectangular in cross section and constructed so as to allow exhaust gases to pass through it, entering from its inner surface side and then exiting.
Therefore, in the heat-receiving drum compartment, the exhaust gases are directed to the inner surface of the drum from where they pass through the drum and exit the casing through an exhaust passage. . When the exhaust gases come into contact with the inner surface of the drum, they are much hotter than when they reach the outer parts.
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of the drum. A thermal gradient is therefore established substantially radially.
When the drum comes out of the chaut-
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fagop it is exposed to relatively cold air which lowers its temperature and causes it to undergo a fairly significant thermal variation. When it leaves the cooling compartment, the drum enters the heating C 0 mpati me nt, where . it is again subjected to the relatively high% on 4ratureJ which prevails in the heating component. Consequently, the tàiabour must be constructed in such a way that it can expand and contract in all directions and direction. In addition, the drum must be of sufficiently compact construction that each of its revolutions is as effective as possible in transferring heat from one compartment to another.
When the two compartments of the envelope are arranged relative to each other; on the other hand so that the low pressure compartment is adjacent to the high pressure compartment, as is the case in the present invention, there is a difference between the static and dynamic forces which the drum mounting device experiences. In the conditions
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dynamics, the high pressure which prevails in the smallest partia produces me general force directed upwards and it is this force which the device of mounting of the drum must be able to compensate.
Under static conditions, the mounting device must be able to support the normal weight of the drum,
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The sealing device of a rotating recuperator must effectively separate the two compartments to prevent
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any high pressure air leakage directly from the ducts! escape without the useful work having been done in:
1L \ tur-. bine and at the same time to allow the drum to rotate freely and pass from one compartment to another. Difficulties encountered with recuperator seals
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turning are complex because of the rather considerable number of variables that the seals must compensate for. The shape of the drum. that passes through the seals is not constant at all times or for a given period of time.
As mentioned above, a temperature gradient is established and waits radially in the drum, the rectangular section of which is thus slightly deformed. As the gaskets separate the two compartments and are therefore partly housed in each of them, different fillings act on different parts of the gaskets so that these must be constructed to be able to compensate for this lack of uniformity. In addition, the pressure difference exerted on either side of a seal produces a rotating moment which tends to misalign the seal to the point of allowing it to bite into the surface of the drum.
Despite the variations which take place in the dimensions of the drum, the seal, in order to be effective, must have an opening through which the drum can pass freely without its rotation being impeded and, preferably, without contact. between the seal and the drum. By maintaining a determined distance between the drum and the seal, the useful life of the seal can be greatly extended and a major maintenance difficulty in rotary recuperators can be eliminated. However, the clearance existing between the seal and the drum must be kept small enough to prevent any appreciable loss of sealing efficiency.
This being the case, the objects of the present invention are notably to provide: an improved rotary recuperator; a rotating recuperator equipped with a drum built to operate long and efficiently;
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a device for supporting the drum efficiently under the various static and dynamic operating conditions; an improved sealing device for a rotating collector in which the sealing device provides effective separation between the compartments of the collector at different pressures without hindering the rotation of the drum or without requiring excessive maintenance;
seals for a rotating recuperator which keep the compartments effectively separated at different pressures while simultaneously allowing a variable section drum to pass freely through the seals.
Other specific aims and advantages of the invention will emerge from the description given below with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a perspective view of an improved rotary recuperator according to the invention, partially cut away to show the internal structure; FIG. 2 is a section of the rotating recuperator of the invention along line 11-11 of FIG. 1;
Fig. 3 is a view on a larger scale along the line III-III of FIG. 1 showing the end seal in detail, FIG. 4 is a section on an enlarged scale taken on line IV-IV of FIG. 3 showing in detail the construction of the longitudinal seals; Fig. 5 is a view taken along the line V-V of FIG. showing the stapling of the longitudinal seals; Fig. 6 is a view taken along the line VI-VI of FIG. showing the stapling of the end seals;
Fig. 7 is a section on a larger scale of the dis-
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, positive for adjusting the pressure exerted on a labyrinth seal which is part of the present invention; Fig. 8 is a perspective view of the members forming the die of the drum; Fig. 9 is a fragmentary section on an enlarged scale of the drum support device; Fig. 10 is a perspective view of a sealing device; and Fig. 11 is a perspective view of the partially mounted drum.
The drawings, and particularly Figs. 1 and 2 ', show a rotating recuperator 11 which comprises a main cylindrical outer shell 12 having an inlet 13 for the exhaust gases, an outlet 14 for the exhaust gases, an inlet 16 for pressurized air and an outlet 17 for pressurized air. A heat exchanger drum 19 is mounted so as to be able to rotate concentrically in the casing 12 on a mounting device 18.
The interior of the drum 19 is divided into an upper compartment 21 and a lower compartment 22 by a baffle 23 and by sealing devices 24 and 26. The ends of the compartments 21 and 22 are sealed by a device. labyrinth seal 27 (described in detail later) as well as the casing and end covers 28.
Due to the arrangement of the baffle 23, seals 24 and 26, labyrinth sealants 27 and covers 28, the exhaust gases entering center 13 must pass through drum 19 in order to reach the outlet 14. Likewise, the compressed air which enters the center 16 must pass through the drum 19 to reach the air outlet 17. The operation of the recuperator therefore appears clearly;
hot gas at low pressure enters inlet 13
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and heats the drum 19 as it passes through the latter to exit through the outlet 14 to a markedly interior temperature and the relatively cold high pressure air entering 16 is heated as it passes through the drum 19 as it heads toward the; exit 17.
It is important that the seals 24 and 26 minimize compressed air leakage in order to prevent large energy losses and the seals must at the same time be flexible enough to allow the drum 19 to rotate freely so that parts of it continuously exit from one compartment and enter the other. The efficiency of the recuperator depends to a large extent on the ability of the drum 19 to absorb a maximum amount of heat from the exhaust gases by cooling them almost to the temperature of the intake air and driving this heat. heat in a compartment 22,
where it is transmitted to the cooler compressed air which is thus heated almost to the inlet temperature of the exhaust gases before exiting the drum.
As shown in Fig. 11 as well as in Figs. 1 and 2, the drum 19 comprises two end rings 31 which are kept spaced apart by spacers 32. The end rings 31 comprise inner rings 33 which are notched along of their. outer circumferences. The notched rings 33 mesh with pinions 34 wedged on a drive shaft 36 and thus form a driving link by which the drum is driven in rotation.
The inner rings 33 are integral with outer rings 37 which have concave outer side surfaces 38 cooperating with the support device 18 in a manner described in detail below.
To construct the drum 19, the end rings 33 are initially connected to one another by a spacer 32.
We then place a series of thin sheets in a rectangular substanoe. laires 14 (Fig. 8) between the rings 33 near ontretoise 32.
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As shown in Fig. 8 the C41 sheets comprise alternately flat sheets 42 and corrugated sheets 43. Each sheet 42 and 43 has a total length which is approximately equal to the distance between the internal surfaces of the rings 33. - That the end of the plates 42 and 43 has a notch 44 which is intended to receive one of the ribs 39 which are integral with the inner rings 33 and which protrude. on their inner side surfaces. When the sheets are placed between the rings 31, the ribs 39 engage in the notches 44 and the sheets are thus placed and retained in a determined position.
After having placed a given number of sheets 42 and 43 between the rings 33, a second spacer 32 is placed between the rings 33 near the sheets 41 and fixed by means of bolts 46. The process is repeated until the last spacer
32 must be asked. As there is not enough space available to incline the last spacer at an angle such that it can pass over the rib 39, this spacer is provided with a notch 44a which extends on one side. over the entire length, as shown in Fig. 7. The spacer can then be simply slid into place.
The drum therefore comprises a series of intersections or refrains 32 which are directed radially and which are distributed equally around the periphery of the drum. The spacers are able to hold the thin thermal sheets 42 and 43 in place so that they form an efficient matrix.
As explained above, the internal temperature of the drum is higher than its external temperature.
A thermal gradient is therefore established radially in the drum so that its internal parts tend to expand more than its external parts. The spacers 32 are generally wedge-shaped elements having a series of adjacent U-shaped notches which form teeth 47 which are all
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connected to a common member 47a The cuneiformity of the spacers compensates for the geometry of the stacks of matrix sheets which are more or less rectangular * The U-shaped notches reduce the tendency of the spacers 32 to arch inwards under the action of the gradient of considerable temperatures which acts from the outside to the inside of the drum.
The drum 19 is therefore a robust member capable of absorbing and quickly and efficiently releasing heat while undergoing minimum deformation.
As shown in Fig. 9 as well as in Figs. 1 and 2, the drum 19 is mounted in the casing 12 on trains of rollers 18. The trains of rollers 18 comprise an upper roller 51 on each side and two lower rollers 52 on each side. Each roller 51 is rotatably mounted on a lever 53, which pivots at one end at 54 and which is connected at its other end 56 to a compression spring 57. The rollers 51 support the weight. of drum 19 under static conditions and are biased against the concave outer surface 38 of ring 37 of the drum. Spring 57 urges lever 53 upward and thus maintains constant contact between roller 51 and surface 38.
Each lower roller 52 is mounted so as to be able to rotate on a lever 58 which pivots at one of its ends 59, while its other end 61 is biased by a compression spring 62. The roller 52, like the roller 51, comes into contact with it. the surface 38 of the ring 37 and is maintained in contact therewith by the compression spring 62 which exerts a force on the lever 58 tending to make it pivot in the anti-clockwise direction. The combination of the upper rollers 51, and, the lower rollers 52 formed a support device by which the drum can easily rotate and by which it is suitably supported under static conditions.
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ques and dynamics.
The use of @ @@@@ rsssion allows for variations in drum and shell dimensions, ensuring proper drum support at all times,
The surface 38 of the ring 37 serves not as a rolling surface for the rollers 51 and 52 but as a sealing surface cooperating with the labyrin seal device the 27.
As shown in Figs. 1, 2 and 7, a ring 66 of larger diameter than the diameter inside the drum 19 is mounted coaxially with this drum and is attached to a labyrinth seal ring 67 which is pressed against the surface 33 of the ring.
37 by a spring 71.The width of each ring 66 .is such that when the funds 28 are fixed to the casing 12, the rings 66 bear against these funds and form a seal with them. The labyrinth seal 27 therefore limits the passage of gases from the inlet to the outlet to a path which includes the drum 19.
Fig. 7 shows details of the spring device
71 which presses the labyrinth seal ring 67 into contact with the surface 38. The spring device 71 comprises a threaded head 72 which is integral with a rod 73. The threaded head 72 is screwed into the bottom 28 of the envelope and is blocked by a locking nut 74 so as to penetrate a given distance beyond the bottom 28, depending on the force that is to be exerted on the ring
67. The rod 73 engages a socket 76 which is fixed to the ring 67 at one end and which has a shoulder 77 at its other end. The shoulder 77 serves as a seat for one end of the spring 78, while the threaded head 72 serves as a seat for the other end of the spring 78.
The spring 78 exerts a force on the sleeve 77 and presses it against the ring 67.
The force exerted by the spring 78 depends on the distance separating the shoulder 77 from the threaded head 72 and this distance can be
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set as described above. The spring devices 71 are evenly distributed around the periphery of the drum 19 (at both ends) so that the forces they exert are evenly distributed *
The spring device 71 described above comprises a compression spring 78 which urges the ring 67 against the surface 38.
At places around the drum 19 where the air pressure which presses the ring 67 against the surface 38 is greater than the air pressure which acts in the reverse sound, it may be necessary that some of the springs 78 be tension springs so that the ring 67 is pressed against the surface 38 with the desired force. If no means are provided to relieve some of the pressure which recalls ring 67 against surface 38, excessive wear occurs and the rotation of drum 19 may even be impeded.
The following description of the sealing devices according to the invention is given mainly with reference to FIGS. 1, 3, 4 and 10. Each longitudinal seal comprises an upper support member 81, to which the chicana 23 is fixed by bolts 82. A thin metal diaphragm 83 is juxtaposed below the support 81 and is firmly held. in place against the latter by a support member 84, which is fixed to the support 81 by fixing bolts 86. The lower surface of the support 81 and the upper surface of the support 84 have longitudinal recesses which form a chamber 87.
Due to chamber 87, a portion of diaphragm 83 comes some distance from the upper and lower surfaces of supports 84 and 81 respectively, allowing diaphragm 83 to flex in response to appropriate forces. A second diaphragm 88 is fixed to the inner surface of the holder 84 and is held! against the latter by two spaced fasteners 89, which are held tight against the support 84 by via 91.
The
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middle part of the lower surface of the support 84 is slightly concave so that the middle of the diaphragm 88 does not contact the support 84 and is therefore free to flex under the appropriate conditions. Several sealing pads 92, 93 ot 94 (Fig. 5) are attached to the lower surface of diaphragm 88 between fasteners 89.
The seal pads are attached to diaphragm 88 by screws 96 which extend upward through the pads, diaphragm 88, spacer block 97, upper diaphragm 83 and thread into a plate. upper fixing 98..The block 97 extends into a longitudinal opening 99 formed in the support 84 and fixes the upper diaphragm 83 to the lower diaphragm 88.
This arrangement allows the sealing pads 92, 93 and 94 to move in a direction transverse to their length (towards the drum 19 or above the latter) and at the same time to resist any tendency to rotate around it. of a longitudinal axis if one edge of a shoe is subjected to forces greater than those .qui are exerted on its other edge. ,
The ability of the sealing pads to resist rotation about their longitudinal axis is a very important factor in the invention because the pressures experienced by the pads vary greatly from edge to edge of their lateral surface.
One edge of each pad is exposed to high temperature, low pressure gases while the other edges are exposed to cooler, high pressure gases * The pressure differences exerted on the edges of the pads are further accentuated when a spacer 32, while turning, passes opposite a sealing pad because the parts of the pad adjacent to the spacer undergo less pressure than the parts which feel exposed to gases *
In order to maintain as close a relation as possible between the sealing pads and the drum 19 without provoking
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quer a real contact (or a contact at very low pressure ?, pressurized air is introduced through an inlet passage 102 in the chamber 87,
from where it passes through the openings 101 in the upper diaphragm 83 and acts on the lower diaphragm 88, The pressurized air deforms the diaphragm 88 outwardly so that the pad 95 approaches the drum 19 .
By adjusting the air pressure in chamber 87, the special relationship between the seal pads and the drum can be maintained with precision. If the drum comes into contact with a seal pad, by means of the ability of the diaphragms
83 and 88 at flexed the pad does not damage the drum or wear it excessively.
The advantage obtained by means of a series of interlocked shoes 92, 93 and 94 as opposed to a single shoe is the ability of each shoe to adapt separately to the axial contour of the drum which, like explained above, can be axially deformed to a varying extent.
The lower part of the longitudinal seal which is shown in FIG. 4 has not been described in detail because it is in substance identical to the upper part, that it was.
The end seals each include two interlocked sealing pads 106 and 108 (Fig. 6) whose outer surfaces conform to the concave surface 38 of the ring.
37. The pads 106, 108 are attached to a U-shaped diaphragm 110, which in turn is mounted on retainer blocks 112. Two cap screws
109 secure the pads 106., 108, the diaphragm 110, a spacer 107 and an attachment band 116 to each other
Like the longitudinal seal, the end seal is therefore mounted so as to be slightly flexible and to be sensitive to the pressurized air admitted through the inlet II) + to flex against the outside. to the surface 38.
As indicated
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Generally at 115, the logitudi- nal seals and end seals form a tongue-and-groove assembly to minimize air leakage. The end seal elements described above are mounted in an end seal housing 120, clearly shown in FIG. 10.
CLAIMS. the rotating recovery drum) characterized in that it comprises in combination two spaced end rings, several spaced spacers attached to the rings to keep them at a determined distance from each other, and a thermally conductive matrix held in place in the areas defined by the spacers and rings.
2.- Rotating recovery drum, characterized in that it comprises in combination two end rings, several substantially wedge-shaped spacers fixed to the end rings so that these end rings are kept apart. the other, each strut having a series of wedge-shaped teeth held at a distance from each other by a common support and a hermoconductive matrix fixed in the areas defined by the rings and by the struts.
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