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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.
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