EP0760080A1 - Echangeur thermique rotatif pour turbine a gaz associee - Google Patents

Echangeur thermique rotatif pour turbine a gaz associee

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Publication number
EP0760080A1
EP0760080A1 EP95920956A EP95920956A EP0760080A1 EP 0760080 A1 EP0760080 A1 EP 0760080A1 EP 95920956 A EP95920956 A EP 95920956A EP 95920956 A EP95920956 A EP 95920956A EP 0760080 A1 EP0760080 A1 EP 0760080A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
disc
exchanger according
heat exchanger
ring
central hole
Prior art date
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Ceased
Application number
EP95920956A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Patrick Guillot
Pascal Guillot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TURBO ENERGIE
Original Assignee
TURBO ENERGIE
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Filing date
Publication date
Application filed by TURBO ENERGIE filed Critical TURBO ENERGIE
Publication of EP0760080A1 publication Critical patent/EP0760080A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • F02C7/10—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers
    • F02C7/105—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers of the rotary type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
    • F28D19/04—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier
    • F28D19/047—Sealing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
    • F28D19/04—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier
    • F28D19/048—Bearings; Driving means

Definitions

  • the present invention relates to a rotary heat exchanger, in particular for exchanging heat between the intake gases and the exhaust gases in a gas turbine. It also relates to a gas turbine equipped with this exchanger.
  • the purpose of such an exchanger is to exploit the residual heat of the expanded burnt gases, to heat the compressed intake gases, before they enter the combustion space.
  • FR-A-2 207 267 discloses a heat exchanger comprising a honeycomb ceramic disc mounted in a metal rim toothed externally.
  • the cells define in the ceramic multiple conduits parallel to the axis of rotation.
  • the teeth serve to drive the rotating rim, which itself drives the disc by simple radial tightening.
  • the already compressed intake air going to the combustion chamber passes through a region of the ceramic disc which is constantly renewed due to the rotation of the disc. Another region of the disc is crossed by the exhaust path.
  • each angular region of the disc is successively placed in the path of the exhaust gases, which heat it, then in the path of the intake gases, to which it gives off heat.
  • These rings have an angular sector shape comprising two radial arms, a radially outer part in an arc of a circle, and a connection surrounding a central hole of the ceramic disc.
  • the disc is mounted in a housing defined between the turbine frame and a cover.
  • a metal tie passing through the central hole of the disc connects the center of the cover to the fixed frame of the turbine.
  • the inner wall of the cover helps define the gas paths on one side of the disc.
  • the tie rod prevents swelling of the cover under the effect of the pressure of the intake gas. There is a large radial clearance around the tie rod occupied by unheated intake air.
  • the rings When the turbine operates at high load, the rings are distorted to the point that they are no longer able to properly rest on the faces of the disc.
  • the rings are in fact subjected to considerable temperature gradients, in particular between the radial arm in front of which passes the hot part of the disc which enters the intake path, at a temperature of approximately 600 ° C., and the other arm radial subjected to a temperature of about 250 ° C, in front of which passes the part of the disc which has been cooled by the intake flow.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks by proposing a heat exchanger which, compared to existing devices, has both better sealing of the intake path and less wear of the friction rings.
  • the rotary heat exchanger between the intake gases and the exhaust gases in a gas turbine comprising a disc of cellular ceramic material connected at least indirectly to rotary drive means, a conduit upstream and a downstream conduit located respectively on either side of the disc to separate, on each side of the disc, the flow of intake gases and that of exhaust gases, the conduits having at their end in contact with the faces lateral of the disc, an upstream sealing device and respectively a downstream sealing device, and pressing means for applying the sealing devices against the lateral faces of the disc, characterized in that at least one of the sealing devices includes for contact with the disc a friction ring split at a point on its periphery.
  • a gas turbine comprising a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 1 is a diagram of a turbine according to the invention.
  • FIG. 2 is a perspective view with partial section of a rotary heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 4 is an axial sectional view of the central part of the exchanger on an enlarged scale
  • FIG. 5 is a view of a detail of Figure 4.
  • - Figures 6 and 7 are two partial views of one of the friction rings;
  • - Figures 8 and 9 are two sectional views of the periphery of the exchanger, in two different axial planes;
  • a gas turbine according to the invention comprises a motor element 101 driving on the one hand a compressor 102 and on the other hand, by means of a reduction gear 103, a rotary heat exchanger 104
  • the exchanger 104 comprises a peripheral rim 2 having a peripheral toothing 4 attacked by a pinion 106 driven by the reduction gear 103.
  • the air the path of which is shown diagrammatically by arrows, enters the compressor 102, comes out compressed, passes in the exchanger 104 where it heats up, then in a combustion chamber 107 where its pressure increases.
  • At least two exchangers such as 104 can be provided, arranged symmetrically with respect to the axis of the shaft 108, and operating in parallel.
  • the exchanger 104 comprises a disc 1 of cellular ceramic material mounted inside the steel rim 2 with the interposition of a radial clamping device 3 which will be described later.
  • the radial clamping device 3 places the cellular ceramic material under a radial compression preload which is very favorable for the mechanical strength of the ceramic in service.
  • the radial clamping device 3 ensures between the disc 1 and the rim 2 an adhesion connection for rotation about the axis ' of the disc.
  • the rim 2 driven in rotation thanks to the external peripheral toothing 4, in turn drives the disc 1 in rotation thanks to the grip effect provided by the clamping device 3.
  • the rotary ceramic disc 1 has very many through cells parallel to its axis, in the manner of a honeycomb.
  • the disc 1 is inserted transversely in two juxtaposed paths: an intake path A defined by two fixed aligned conduits 6 and 7 located on either side of the disc 1, and an exhaust path E.
  • the conduits 6 and 7 which are shown schematically in Figure 2, have the shape of a sector of about 120 ° on the flat faces of the disc 1.
  • the exhaust path E occupies the rest of the surface of the disc, namely a 240 ° sector approximately.
  • Each conduit 6, 7 ( Figure 2) thus has two radial arms 8, 8a connected to each other by a radially outer arc 9 and a connection 11 close to the axis of rotation 12 of the disc.
  • the upstream duct 6 comprises at its end facing the disc 1, a friction ring 13.
  • a friction ring 14 is provided against the disc 1 at the end of the downstream intake duct 7.
  • the disc 1 is mounted in a housing 17 (FIG. 3) of the frame 26 of the turbine.
  • the upstream intake path, including the upstream duct 6, is defined by a cover 16 (FIG. 3) which closes the housing 17.
  • the cover 16 has a generally circular shape enveloping the rim 2 of the disc 1.
  • the space around the duct 6 and the friction ring 13 constitutes the downstream exhaust duct.
  • the disc 1 comprises in the center of the honeycomb area 18, a non-honeycomb area 19 crossed by a bore axial or central hole 21.
  • a tie rod 22 is mounted along the axis 12 of the disc 1 in the axial bore 21.
  • the diameter of the tie rod 22 is less than that of the central hole 21 so as to form an annular gap 23 between them ( figure 4).
  • the guiding in rotation of the disc 1 is ensured for example by rollers cooperating with the rim 2 on either side of the toothing 3 so as to maintain the coaxiality between the disc 1 and the tie rod 22.
  • the tie rod 22 comprises at one end a thread 24 screwed into the frame 26 of the turbine. At its other end 28, also threaded, the tie rod 22 passes through a central reinforcement 27 of the cover 16 and cooperates with two locking nuts 29 which are supported on the reinforcement 27 by means of Belleville washers 31.
  • the tie rod 22 has for function of preventing the cover 16 from inflating in the direction which would move it away from the disc 1 under the effect of the pressure of the intake gas.
  • the Belleville washers 31 have the function of maintaining on the cover 16 a substantially constant pressing force independently of the variations in length of the tie rod 22 as a function of its temperature.
  • the central hole 21 is located outside the intake ducts 6 and 7 and the friction rings 13 and 14. However, there is provided through the reinforcement 27 a channel 32 communicating the intake path A, upstream side of the disc 1, with the central hole 21, via an annular gap 33 between the tie rod 22 and a bore 34 of a ring 35 added in the reinforcement 27.
  • the bore 34 is in sealed communication with the central hole 21 of the disc 1 thanks to a metal bellows 36 disposed around the tie rod 22 between the ring 35 and the disc 1.
  • a seal 37 disposed around the tie rod 22 prevents the intake air from leaking out of the cover 16.
  • the bellows 36 is carried by the fixed ring 35 and is supported by a pad 40 of sliding way against the lateral face of the disc around the hole 21.
  • a bellows 38 is arranged around the tie rod 22 between the disc 1 and the frame 26 so, on this side also of the disc, isolate from the exhaust path the space directly surrounding the tie rod 22.
  • the bellows 38 is carried by a ring 35a, this time fixed to the frame 26, and bears in leaktight but slippery fashion against the other lateral face of the disc 1 by means of an annular pad 40a.
  • a leakage orifice 39 is formed in the vicinity of the threaded end 24 of the tie rod 22 between the space directly surrounding the tie rod and the exhaust space.
  • the friction ring is made of metal with a low coefficient of expansion and has on its face in contact with the disc 1 a deposit 42 of a friction material, for example based on nickel oxide and calcium fluoride.
  • the bearing surface of the deposit 42 against the disc is lapped.
  • the friction ring 13 On its face opposite the deposit 42, the friction ring 13 has a groove 43 receiving a ring 44 made of silicone rubber resistant to high temperatures such as 260 ° C and having sealing properties.
  • the ring 44 presses freely against the bottom of the groove 43, with sealing.
  • the bearing face of the ring 44 against the bottom of the groove 43 may be provided with a lining resistant to temperature, forming a heat shield, for example a 1 mm thick asbestos cloth.
  • the ring 44 On the side opposite to the friction ring 13, the ring 44 is received in a groove 46 formed at the end of the duct 6 proper turned towards the disc 1. There is between the bottom of the groove 46 and the ring 44 a prestressing spring 47 which is shown diagrammatically of the helical type, but which in practice can more conveniently consist of a single corrugated washer for the entire periphery of the duct 6. Furthermore, the width h of the ring 44 is less than that of the groove 46.
  • the ring 44 In service, the ring 44 has an inner face 48 exposed to the relatively high pressure of the intake air and an outer surface 49 exposed to the lower pressure of the exhaust gases. Thus, the ring 44, by means of a certain elastic extension of its perimeter, is pressed tightly against the external face 51 of the groove 46.
  • the ring 44 thanks to its flexibility, accepts the deformations of the ring 13 which have the effect that the groove 43 is no longer exactly opposite the groove 46 (vertical movement of the ring 13 in Figures 4 and 5), and prevents these deformations from producing leaks.
  • the pressure exerted by the friction ring 13 against the disc 1 pushes the disc 1 bearing with the same force against the friction ring 14.
  • the friction ring 14 is applied against the disc with a force proportional to the intake pressure.
  • the friction ring 14 is connected to the duct 7 proper by a membrane 56 which is deformable with a substantial elastic resistance to compression in the direction of the axis 12 of the disc.
  • the membrane 56 is intended to allow the friction ring 14 to be applied against the disc 1 by making up for the tolerances, in particular angular, manufacturing and operating.
  • the membrane 56 is protected from the heat of the inlet gases heated by a skirt 57 which is welded to the friction ring 14 and extends therefrom in the direction opposite to the disc 1 so as to form a shield thermal.
  • the friction ring 13 has in the region of the connection 11, that is to say in the vicinity of the central axis 12, a slot 58 which has the purpose of allowing the ring 13 to lean correctly over its entire length against the disc 1 even when thermal stresses tend to deform it.
  • the radial arm 8 of the conduit 6 and of the ring 13 which sees the highly heated ceramic arriving through its entire path through the exhaust gases, is at a much higher temperature than the radial arm 8a which sees the ceramic having just been cooled to the maximum after having completely crossed the intake path A.
  • This temperature difference between the two radial arms 8 and 8a, as well as the corresponding temperature gradients in the arc 9 and the connection 11, tend to distort the friction ring 13 and to prevent it from being correctly applied in all points against the disc 1.
  • the slot 58 has an oblique profile, to increase the length of the escape route, or a zigzag profile (Figure 7) to further create a labyrinth effect.
  • the periphery of the disc ceramic is perfectly smooth and cylindrical, without any machining.
  • This periphery is surrounded by a coating 61 of deformable refractory material such as asbestos.
  • the coating 61 is itself encircled by a thin metallic collar 62.
  • the radial springs 63 provide in the disc 1 a radial compression preload. To prevent the turns of the adjacent radial springs 63 in the same axial row from interpenetrating, one can choose for the central spring a winding direction opposite to that of the two end springs. In this case, the radial springs 63 of the same row can be mounted in contact with each other and contribute mutually to their positioning and their guidance.
  • the disc 1 is crossed by one or more radial conduits 41 which open at one end into the central hole 21 of the disc 1 ( Figures 3 and 4) and at the other end ( Figures 3 and 9) in space reserved for device 3 for peripheral disc tightening, between disc 1 and rim
  • Each sealing device 68 comprises a pressure ring 69.
  • the two pressure rings 69 - 13 - are biased away from each other by axial springs 71 distributed in the peripheral chamber 64.
  • axial springs 71 distributed in the peripheral chamber 64.
  • the axial springs guide the radial springs and vice versa.
  • Each pressure ring 69 has, on the side opposite the other ring 69, a concave conical surface 72 situated opposite a convex conical surface 73 of a metal support ring 74 (see FIG.
  • the support ring 74 is supported on the asbestos coating 61 and on the flange 66 or 67 by means of flexible sealing elements comprising a sealing braid 77 mounted in the angle formed by the coating 61 and the flange, as well as two complementary sealing braids against the braid 77, one 78 pressed against the covering 61 the other 79 against the flange 66 or 67.
  • Additional sealing is provided by a braid 81 interposed between each flange 66 or 67 and the corresponding radial face of the disc 1 in the vicinity of its periphery.
  • An annular asbestos coating 82 is fixed against the radial faces of the disc 1, where the braids 81 rest.
  • the chamber 64 is subjected to the intake pressure, " which balances the bursting stresses of the disc 1 under the effect of the intake pressure prevailing in the cells.
  • the radial springs 63 transmit by friction the torque of rotation of the rim 2, itself driven by the toothing 4. This torque is likely to generate harmful stresses in the ceramic of the disc, in particular shear stresses, that the ceramic supports very badly.
  • the radial springs 63 in addition to their torque transmission function, provide in the ceramic a large radial compression preload, thanks to which the ceramic is everywhere in compression, even where the other mechanical forces exerted on it tend to make appear other modes of constraint, much more dangerous for her.
  • the braids 77 to 79, 81 are for example made from graphitized asbestos fibers reinforced with flexible Inconel fibers.
  • the sealing support is both axial and radial.
  • the oblique ramps 72, 73 and the balls 76 allowing free self-positioning as a function of the differences in thermal expansion.
  • the braids are preferably precompressed to compensate in advance for the expansion of the single ring relative to the ceramic of the disc.
  • the invention is not limited to the examples which have just been described and numerous modifications can be made to these examples without departing from the scope of the invention.
  • the number of radial and axial springs arranged at the periphery of the ceramic disc is not limited by the invention. It is the same for the number of braids used for the lateral sealing of the chamber peripheral.
  • the means for subjecting the friction ring to the thrust of the intake gases can also be used with an intake duct surrounding the axis of the disc and pulling it as described in FR-A-2 207 267. Therein The same goes for the particularity according to which the rings are split.
  • conduits are, as described, intake conduits, so that their perimeter is shorter. But as illustrated by FR-A-2 204 276, it is also conceivable that the conduits are exhaust conduits.

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Abstract

Echangeur thermique rotatif entre les gaz d'admission et les gaz d'échappement dans une turbine à gaz, comprenant un disque (1) en matière céramique alvéolaire, un conduit d'admission d'air amont (6) et un conduit d'admission aval (7) situés respectivement de part et d'autre du disque (1) et comportant à leurs extrémités en contact avec les faces latérales du disque (1) des anneaux de friction (13). Les deux anneaux de friction (13) sont fendus (58) pour leur permettre de s'appliquer correctement contre le disque (1) malgré les gradients de température qu'ils subissent en service.

Description

ECHANGEUR THERMIQUE ROTATIF POUR TURBINE A GAZ ASSOCIEE
Description La présente invention concerne un échangeur thermique rotatif, en particulier pour échanger de chaleur entre les gaz d'admission et les gaz d'échappement dans une turbine à gaz. Elle vise également une turbine à gaz équipée de cet échangeur. Un tel échangeur a pour but d'exploiter la chaleur résiduelle des gaz brûlés détendus, pour réchauffer les gaz d'admission comprimés, avant leur entrée dans l'espace de combustion.
On connaît d'après le FR-A-2 207 267 un échangeur thermique comprenant un disque alvéolé en céramique monté dans une jante métallique dentée extérieurement. Les alvéoles définissent dans la céramique de multiples conduits parallèles à l'axe de rotation. La denture sert à entraîner la jante en rotation, qui elle-même entraîne le disque par simple serrage radial. L'air d'admission déjà comprimé se dirigeant vers la chambre de combustion traverse une région du disque en céramique qui est renouvelée en permanence en raison de la rotation du disque. Une autre région du disque est traversée par le trajet d'échappement. Ainsi, par la rotation du disque, chaque région angulaire du disque se place successivement dans le trajet des gaz d'échappement, qui la réchauffent, puis dans le trajet des gaz d'admission, auxquels elle cède de la chaleur. Les conduits d'admission fixes, en amont et en aval du disque, se terminent par des anneaux de friction appuyés de manière étanche contre les faces opposées du disque pour empêcher les fuites d'air d'admission. Ces anneaux présentent une forme de secteur angulaire comprenant deux bras radiaux, une partie radialement extérieure en arc de cercle, et un raccordement entourant un trou central du disque en céramique. Le disque est monté dans un logement défini entre le bâti de la turbine et un couvercle. Un tirant métallique passant par le trou central du disque relie le centre du couvercle au bâti fixe de la turbine. La paroi intérieure du couvercle contribue à définir les trajets des gaz d'un côté du disque. Le tirant empêche le gonflement du couvercle sous l'effet de la pression du gaz d'admission. Il y a autour du tirant un jeu radial important occupé par de l'air d'admission non réchauffé. Des perçages intérieurs sont prévus dans le tirant pour provoquer une légère fuite d'air et assurer ainsi le refroidissement interne de ce tirant. Cette fuite d'air est ensuite mélangée au flux des gaz de combustion. Il est en outre prévu que des conduits radiaux soient ménagés dans le disque pour amener l'air d'admission autour de la périphérie du disque et ainsi précomprimer le disque pour augmenter la résistance mécanique de la céramique.
Lorsque la turbine fonctionne à forte charge, il se produit une distorsion des anneaux au point que ceux-ci ne sont plus capables de s'appuyer correctement sur les faces du disque. Les anneaux sont en effet soumis à des gradients de température considérables, notamment entre le bras radial devant lequel passe la partie chaude du disque qui entre dans le trajet d'admission, à une température d'environ 600°C, et l'autre bras radial soumis à une température d'environ 250°C, devant lequel passe la partie du disque qui a été refroidie par le flux d'admission. On sait d'après le FR-A-2 204 276 éviter les décollements du dispositif d'étanchéité par rapport au disque en réalisant le dispositif d'étanchéité sous la forme d'une succession de segments. Mais il en résulte de nombreuses fuites à travers les interstices entre segments successifs. Une solution semblable, appliquée à un appareil différent, mais affectée des mêmes inconvénients, est décrite dans le GB-A-683 282. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un échangeur thermique qui présente par rapport aux dispositifs existants à la fois une meilleure étanchéité du trajet d'admission et une moindre usure des anneaux de friction.
Suivant l'invention, l'échangeur thermique rotatif entre les gaz d'admission et les gaz d'échappement dans une turbine à gaz, comprenant un disque en matière céramique alvéolaire relié au moins indirectement à des moyens d'entraînement en rotation, un conduit amont et un conduit aval situés respectivement de part et d'autre du disque pour séparer, de chaque côté du disque, le flux des gaz d'admission et celui des gaz d'échappement, les conduits comportant à leur extrémité en contact avec les faces latérales du disque un dispositif d'étanchéité amont et respectivement un dispositif d'étanchéité aval, et des moyens presseurs pour appliquer les dispositifs d'étanchéité contre les faces latérales du disque, caractérisé en ce que l'un au moins des dispositifs d'étanchéité comprend pour le contact avec le disque un anneau de friction fendu en un point de sa périphérie.
Il a été constaté selon l'invention qu'une seule fente rompant la continuité d'un anneau réalisé d'un seul tenant est suffisante pour que cet anneau soit apte à s'appuyer sur toute sa longueur contre la face correspondante du disque. La fente génère certes une légère fuite, mais celle-ci est bien plus faible que les multiples fuites entre les segments connus, et elle est très largement compensée par le gain résultant du bon appui de l'anneau sur le disque. L'avantage obtenu est d'autant plus important que la turbine fonctionne sous une charge plus forte. En outre, la structure à anneau fendu est bien plus simple et économique à fabriquer et à monter que la structure à segments multiples. Par ailleurs, on préfère selon l'invention que les dispositifs d'étanchéité n'entourent plus le trou central. On a en effet constaté qu'ils sont alors soumis à des gradients de température sensiblement moins défavorables que ceux observés dans les echangeurs de l'art antérieur. Des moyens séparés sont alors prévus pour faire communiquer l'espace d'admission avec le trou central.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé une turbine à gaz comprenant un échangeur thermique selon l'invention.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs. Aux dessins annexés :
- la figure 1 est un schéma d'une turbine selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue en perspective avec coupe partielle d'un échangeur thermique rotatif selon l'invention ;
- la figure 3 est une vue en coupe axiale de l'échangeur ;
- la figure 4 est une vue en coupe axiale de la partie centrale de l'échangeur à échelle agrandie;
- la figure 5 est une vue d'un détail de la figure 4 ;
- les figures 6 et 7 sont deux vues partielles de l'un des anneaux de friction ; - les figures 8 et 9 sont deux vues en coupe de la périphérie de l'échangeur, dans deux plans axiaux différents ;
- la figure 10 est une vue en élévation de l'échangeur, avec coupe de la jante ; et - les figures 11 et 12 sont des détails des figures 10 et 9, respectivement. Comme le montre la figure 1, une turbine à gaz selon l'invention comprend un élément moteur 101 entraînant d'une part un compresseur 102 et d'autre part, par l'intermédiaire d'un réducteur 103, un échangeur de chaleur rotatif 104. L'échangeur 104 comprend une jante périphérique 2 présentant une denture périphérique 4 attaquée par un pignon 106 entraîné par le réducteur 103. L'air, dont le trajet est schématisé par des flèches, entre dans le compresseur 102, en sort comprimé, passe dans l'échangeur 104 où il se réchauffe, puis dans une chambre de combustion 107 où sa pression augmente.
Il se détend ensuite dans l'élément 101 en produisant de l'énergie sur l'arbre 108 de l'élément 101. Il sort de l'élément 101 à une température d'environ 600°C et passe à travers l'échangeur 104 où il cède ses calories à l'air comprimé produit par le compresseur 102.
Notamment pour des raisons de symétrie des contraintes thermiques, il peut être prévu au moins deux echangeurs tels que 104 disposés symétriquement par rapport à l'axe de l'arbre 108, et fonctionnant en parallèle.
Comme le montrent les figures 2 et 3, l'échangeur 104 comprend un disque 1 en matière céramique alvéolaire monté à l'intérieur de la jante d'acier 2 avec interposition d'un dispositif de serrage radial 3 qui sera décrit plus loin. Le dispositif de serrage radial 3 place la matière céramique alvéolaire sous une précontrainte de compression radiale qui est très favorable pour la résistance mécanique de la céramique en service. En même temps, le dispositif de serrage radial 3 assure entre le disque 1 et la jante 2 une liaison par adhérence pour la rotation autour de l'axe ' du disque. La jante 2, entraînée en rotation grâce à la denture périphérique extérieure 4, entraîne à son tour le disque 1 en rotation grâce à l'effet d'adhérence assuré par le dispositif de serrage 3. Le disque céramique rotatif 1 possède de très nombreuses alvéoles traversantes parallèles à son axe, à la manière d'un nid d'abeilles. Le disque 1 est intercalé transversalement dans deux trajets juxtaposés : un trajet d'admission A défini par deux conduits alignés fixes 6 et 7 situés de part et d'autre du disque 1, et un trajet d'échappement E. Les conduits 6 et 7, qui sont représentés de manière schématique à la figure 2, ont la forme d'un secteur d'environ 120° sur les faces planes du disque 1. Le trajet d'échappement E occupe le reste de la surface du disque, à savoir un secteur de 240° environ.
Chaque conduit 6, 7 (figure 2) a ainsi deux bras radiaux 8, 8a reliés l'un à l'autre par un arc radialement extérieur 9 et un raccordement 11 proche de l'axe de rotation 12 du disque.
Pour éviter la déperdition d'air d'admission comprimé, il est essentiel d'assurer l'étanchéité entre les faces planes du disque 1 (figure 2) et les extrémités annulaires des conduits d'admission 6 et 7 qui sont adjacentes au disque 1. A cet effet, le conduit amont 6 comporte à son extrémité tournée vers le disque 1, un anneau de friction 13. De même, comme le montre la figure 3, un anneau de friction 14 est prévu contre le disque 1 à l'extrémité du conduit d'admission aval 7.
Le disque 1 est monté dans un logement 17 (figure 3) du bâti 26 de la turbine. Le trajet d'admission amont, y compris le conduit amont 6, est défini par un couvercle 16 (figure 3) qui ferme le logement 17. Le couvercle 16 a une forme générale circulaire enveloppant la jante 2 du disque 1. Dans le couvercle 16, l'espace situé autour du conduit 6 et de l'anneau de friction 13 constitue le conduit d'échappement aval. Le disque 1 comporte au centre de la zone alvéolée 18, une zone non alvéolée 19 traversée par un alésage axial ou trou central 21. Un tirant 22 est monté selon l'axe 12 du disque 1 dans l'alésage axial 21. Le diamètre du tirant 22 est inférieur à celui du trou central 21 de manière à ménager entre eux un interstice annulaire 23 (figure 4) . Le guidage en rotation du disque 1 est assuré par exemple par des galets coopérant avec la jante 2 de part et d'autre de la denture 3 de manière à maintenir la coaxialité entre le disque 1 et le tirant 22. Le tirant 22 comporte à une extrémité un filetage 24 vissé dans le bâti 26 de la turbine. A son autre extrémité 28, également filetée, le tirant 22 traverse un renfort central 27 du couvercle 16 et coopère avec deux écrous de blocage 29 qui s'appuient sur le renfort 27 par l'intermédiaire de rondelles Belleville 31. Le tirant 22 a pour fonction d'empêcher le couvercle 16 de se gonfler dans le sens qui l'écarterait du disque 1 sous l'effet de la pression du gaz d'admission. Les rondelles Belleville 31 ont pour fonction de maintenir sur le couvercle 16 une force d'appui sensiblement constante indépendamment des variations de longueur du tirant 22 en fonction de sa température.
Le trou central 21 est situé en-dehors des conduits d'admission 6 et 7 et des anneaux de friction 13 et 14. Cependant, il est prévu à travers le renfort 27 un canal 32 faisant communiquer le trajet d'admission A, côté amont du disque 1, avec le trou central 21, via un intervalle annulaire 33 entre le tirant 22 et un alésage 34 d'une bague 35 rapportée dans le renfort 27. L'alésage 34 est en communication étanche avec le trou central 21 du disque 1 grâce à un soufflet métallique 36 disposé autour du tirant 22 entre la bague 35 et le disque 1. Un joint d'étanchéité 37 disposé autour du tirant 22 empêche l'air d'admission de fuir vers l'extérieur du couvercle 16. Le soufflet 36 est porté par la bague fixe 35 et s'appuie par un patin 40 de manière glissante contre la face latérale du disque autour du trou 21.
A l'autre extrémité du tirant 22, un soufflet 38 est disposé autour du tirant 22 entre le disque 1 et le bâti 26 pour, de ce côté-ci également du disque, isoler du trajet d'échappement l'espace entourant directement le tirant 22. De même, le soufflet 38 est porté par une bague 35a, fixée cette fois au bâti 26, et s'appuie de manière étanche mais glissante contre l'autre face latérale du disque 1 au moyen d'un patin annulaire 40a. Cependant, un orifice de fuite 39 est ménagé au voisinage de l'extrémité filetée 24 du tirant 22 entre l'espace entourant directement le tirant et l'espace d'échappement. On établit ainsi entre le trajet d'admission A côté amont et la fuite 39, donc tout le long du tirant 22, une circulation d'air d'admission non encore réchauffé, donc relativement frais (200°C environ) . Ceci évite que le tirant subisse des variations de longueur d'origine thermique excessives. On va maintenant décrire en référence à la figure 5 la structure du conduit d'admission amont 6 et de l'anneau de friction 13.
L'anneau de friction est réalisé en métal à faible coefficient de dilatation et comporte sur sa face en contact avec le disque 1 un dépôt 42 d'un matériau de friction, par exemple à base d'oxyde de nickel et de fluorure de calcium. La surface d'appui du dépôt 42 contre le disque est rodée.
Sur sa face opposée au dépôt 42, l'anneau de friction 13 présente une rainure 43 recevant une bague 44 réalisée en caoutchouc siliconé résistant aux températures élevées telles que 260°C et ayant des propriétés d'étanchéité. La bague 44 s'appuie librement contre le fond de la rainure 43, avec étanchéité. La face d'appui de la bague 44 contre le fond de la rainure 43 peut être munie d'une garniture résistante à la température, formant écran thermique, par exemple une toile d'amiante d'1 mm d'épaisseur.
Du côté opposé à l'anneau de friction 13, la bague 44 est reçue dans une gorge 46 formée à l'extrémité du conduit 6 proprement dit tournée vers le disque 1. Il y a entre le fond de la gorge 46 et la bague 44 un ressort de précontrainte 47 qui est représenté schématiquement du type hélicoïdal, mais qui en pratique peut plus commodément consister en une rondelle ondulée unique pour tout le pourtour du conduit 6. En outre, la largeur h de la bague 44 est inférieure à celle H de la gorge 46. En service, la bague 44 a une face intérieure 48 exposée à la pression relativement élevée de l'air d'admission et une surface extérieure 49 exposée à la pression plus faible des gaz d'échappement. Ainsi, la bague 44, moyennant une certaine extension élastique de son périmètre, est plaquée d'une manière étanche contre la face extérieure 51 de la gorge 46. En outre, grâce à la différence entre les largeurs H et h, il s'établit une communication 52 entre le trajet d'admission A amont et une chambre 53 définie entre le fond de la gorge 46 et la face tournée vers lui de la bague 44. Cette chambre est donc soumise à la pression du gaz d'admission, laquelle pousse la bague 44, à la manière d'un piston annulaire, contre l'anneau de friction 13 avec une force qui est sensiblement proportionnelle à la pression d'admission dans le trajet A. Ainsi, plus cette pression est élevée, plus le risque de fuite est sérieux, et plus, grâce à l'invention, l'appui de l'anneau de friction 13 contre le disque 1 s'effectue avec une force importante. En outre, la bague 44, grâce à sa souplesse, accepte les déformations de l'anneau 13 qui ont pour effet que la rainure 43 n'est plus exactement en face de la gorge 46 (mouvement vertical de l'anneau 13 aux figures 4 et 5), et évite que ces déformations produisent des défauts d'étanchéité. Les moyens assurant le guidage du disque 1, qui agissent sur la jante 2 , par exemple au moyen de galets non représentés, permettent au disque 1 de se positionner librement dans le sens axial. La pression exercée par l'anneau de friction 13 contre le disque 1 pousse le disque 1 en appui avec la même force contre l'anneau de friction 14. Ainsi, même du côté aval de l'admission, l'anneau de friction 14 est appliqué contre le disque avec une force proportionnelle à la pression d'admission. Ceci est très avantageux car obtenu sans avoir à faire intervenir le gaz d'admission du côté aval de l'échangeur, ce qui serait difficile compte-tenu de la forte température du gaz d'admission du côté aval. Comme le montre la figure 4, du côté aval, l'anneau de friction 14 est relié au conduit 7 proprement dit par une membrane 56 qui est déformable avec une substantielle résistance élastique à la compression dans le sens de l'axe 12 du disque. La membrane 56 est destinée à permettre à l'anneau de friction 14 de s'appliquer contre le disque 1 en rattrapant les tolérances, notamment angulaires, de fabrication et de fonctionnement. La membrane 56 est protégée de la chaleur des gaz d'admission réchauffés par une jupe 57 qui est soudée à l'anneau de friction 14 et s'étend à partir de celui-ci en direction opposée au disque 1 de manière à former un bouclier thermique.
Comme représenté à la figure 2, l'anneau de friction 13 présente dans la région du raccordement 11, c'est à dire au voisinage de l'axe central 12, une fente 58 qui a pour but de permettre à l'anneau 13 de s'appuyer correctement sur toute sa longueur contre le disque 1 même lorsque des contraintes d'origine thermique tendent à le déformer. En particulier, si l'on suppose que le disque 1 est entraîné en rotation dans le sens de la flèche F à la figure -2, on comprend que le bras radial 8 du conduit 6 et de l'anneau 13, qui voit arriver la céramique fortement chauffée par tout son trajet à travers les gaz d'échappement, est à une température bien plus élevée que le bras radial 8a qui voit passer la céramique venant d'être refroidie au maximum après avoir traversé complètement le trajet d'admission A. Cette différence de température entre les deux bras radiaux 8 et 8a, ainsi que les gradients de température correspondants dans l'arc 9 et le raccordement 11, tendent à distordre l'anneau de friction 13 et à 1'empêcher de s'appliquer correctement en tous points contre le disque 1.
Il a été trouvé selon l'invention que la fente 58, bien que créant une fuite locale, ' résolvait largement ce problème car elle permettait à l'anneau 13 de s'appuyer correctement en tout point contre le disque 1 quel que soit le régime de fonctionnement de la turbine.
De manière non représentée, une fente analogue est prévue, pour des raisons analogues, dans l'anneau de friction 14.
Comme le montre la figure 6, il est avantageux que la fente 58 ait un profil oblique, pour augmenter la longueur du trajet de fuite, ou un profil en zigzag (figure 7) pour créer en outre un effet de labyrinthe.
On va maintenant décrire le dispositif de serrage 3.
La périphérie de la céramique du disque est parfaitement lisse et cylindrique, sans aucun usinage. Cette périphérie est entourée par un revêtement 61 en matière réfractaire déformable telle que de l'amiante. Le revêtement 61 est lui-même cerclé par un collier métallique mince 62. Il y a entre le collier 62 et la jante d'acier 2 un grand nombre de ressorts 63 travaillant en compression radiale. On peut par exemple répartir les ressorts radiaux 63 par groupes de trois ressorts 63 situés dans un même plan axial, comme représenté à la figure 8. De tels groupes de ressorts 63 sont répartis tout autour de la périphérie du disque
1, comme représenté à la figure 10. Les ressorts radiaux 63 assurent dans le disque 1 une précontrainte de compression radiale. Pour éviter que les spires des ressorts radiaux 63 adjacents dans une même rangée axiale s'interpénétrent, on peut choisir pour le ressort central un sens d'enroulement contraire de celui des deux ressorts d'extrémité. Dans ce cas, les ressorts radiaux 63 d'une même rangée peuvent être montés au contact les uns des autres et contribuer mutuellement à leur positionnement et leur guidage.
En outre, le disque 1 est traversé par un ou plusieurs conduits radiaux 41 qui débouchent à une extrémité dans le trou central 21 du disque 1 (figures 3 et 4) et à l'autre extrémité (figures 3 et 9) dans l'espace réservé au dispositif 3 de serrage périphérique du disque, entre le disque 1 et la jante
2. On amène ainsi contre la périphérie de disque 1.1a pression d'admission de façon que celle-ci ajoute à la contrainte radiale de compression du disque 1 par les ressorts radiaux 63 une contrainte proportionnelle à la pression des gaz d'admission et donc proportionnelle à la charge de la turbine. Pour retenir le gaz d'admission comprimé à la périphérie du disque sans que le gaz puisse fuir, la jante 2 et la périphérie du disque 1 forment entre elles une chambre annulaire 64 qui est fermée le long de ses bords périphériques par des flasques 66, 67 dirigés radialement vers l'intérieur et appartenant à la jante 2. Le flasque 66 est réalisé d'une seule pièce avec la jante 2, tandis que l'autre 67 est une pièce rapportée pour permettre le montage. Il y a un dispositif d'étanchéité 68 entre chaque flasque 66 ou 67 et le disque 1.
Chaque dispositif d'étanchéité 68 comprend une bague de pression 69. Les deux bagues de pression 69 - 13 - sont sollicitées l'une à l'écart de l'autre par des ressorts axiaux 71 répartis dans la chambre périphérique 64. Comme le montre la figure 10, il y a par exemple alternativement le long de la périphérie du disque 1 un groupe de trois ressorts radiaux 63 et un ressort axial 71. Il n'y a pratiquement pas de jeu circonférentiel entre les ressorts radiaux et les ressorts axiaux (figure 11) . Ainsi, les ressorts axiaux guident les ressorts radiaux et vice-versa. Chaque bague de pression 69 présente du côté opposé à l'autre bague 69 une surface conique concave 72 située en regard d'une surface conique convexe 73 d'une bague support métallique 74 (voir figure 12) appartenant à une garniture d'angle 75. Sous la poussée des ressorts axiaux 71, les surfaces coniques 72 et 73, formant rampes, s'appuient l'une sur l'autre par l'intermédiaire de billes 76, ce qui comprime radialement la bague support 74 contre la pourtour du disque 1 et la pousse axialement contre le flasque 66 ou 67 adjacent. La bague support 74 s'appuie sur le revêtement 61 en amiante et sur le flasque 66 ou 67 par l'intermédiaire d'éléments d'étanchéité souples comprenant une tresse d'étanchéité 77 montée dans l'angle formé par le revêtement 61 et le flasque, ainsi que deux tresses d'étanchéité complémentaires adossées contre la tresse 77, l'une 78 appuyée contre le revêtement 61 l'autre 79 contre le flasque 66 ou 67.
Un complément d'étanchéité est assuré par une tresse 81 interposée entre chaque flasque 66 ou 67 et la face radiale correspondante du disque 1 au voisinage de sa périphérie. Un revêtement annulaire en amiante 82 est fixé contre les faces radiales du disque 1, là où s'appuient les tresses 81.
En fonctionnement, la chambre 64 est soumise à la pression d'admission, " ce qui équilibre les contraintes d'éclatement du disque 1 sous l'effet de la pression d'admission régnant dans les alvéoles. En même temps. les ressorts radiaux 63 transmettent par friction le couple de rotation de la jante 2, elle-même entraînée par la denture 4. Ce couple de rotation est susceptible d'engendrer des contraintes néfastes dans la céramique du disque, en particulier des contraintes de cisaillement, que la céramique supporte très mal. Mais les ressorts radiaux 63, outre leur fonction de transmission de couple, assurent dans la céramique une importante précontrainte de compression radiale, grâce à laquelle la céramique est partout en compression, même là où les autres efforts mécaniques s'exerçant sur elle tendent à faire apparaître d'autres modes de contrainte, beaucoup plus dangereux pour elle.
Les tresses 77 à 79, 81 sont par exemple réalisées à partir de fibres d'amiante graphitée armées de fibres en Inconel souple.
Grâce aux rampes obliques 72, 73, l'appui d'étanchéité est à la fois axial et radial. Les rampes obliques 72, 73 et les billes 76 permettant un libre auto-positionnement en fonction des différences de dilatation thermique.
On peut également envisager pour chaque dispositif d'étanchéité la mise en oeuvre d'une bague unique se substituant à la bague de pression 69 et à la bague support 74. Il n'est plus alors nécessaire de prévoir des rampes à billes. Dans cette configuration, les tresses sont de préférence précomprimées pour compenser à l'avance la dilatation de la bague unique par rapport à la céramique du disque. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le nombre de ressorts radiaux et axiaux disposés à la périphérie du disque de céramique n'est pas limité par l'invention. Il en est de même pour le nombre de tresses mises en oeuvre pour l'étanchéité latérale de la chambre périphérique. Par ailleurs, on peut envisager une grande diversité de types de matériau mis en oeuvre pour la réalisation des ressorts, des bagues et des tresses. Les moyens pour soumettre l'anneau de friction à la poussée des gaz d'admission peuvent également être utilisés avec un conduit d'admission entourant l'axe du disque et le tirant comme décrit dans le FR-A-2 207 267. Il en va de même en ce qui concerne la particularité selon laquelle les anneaux sont fendus.
Il est préféré que les conduits soient, comme décrit, des conduits d'admission, de façon que leur périmètre soit plus court. Mais comme l'illustre le FR-A-2 204 276 il est également concevable que les conduits soient des conduits d'échappement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur thermique rotatif entre les gaz d'admission (A) et les gaz d'échappement (E) dans une turbine à gaz, comprenant un disque (1) en matière céramique alvéolaire relié au moins indirectement à des moyens d'entraînement en rotation (4), un conduit amont
(6) et un conduit aval (7) situés respectivement de part et d'autre du disque pour séparer, de chaque côté du disque (1), le flux des gaz d'admission (A) et celui des gaz d'échappement (E) , les 'conduits comportant à leur extrémité en contact avec les faces latérales du disque (1) un dispositif d'étanchéité amont (13) et respectivement un dispositif d'étanchéité aval (14), et des moyens presseurs (44, 47, 52, 53) pour appliquer les dispositifs d'étanchéité contre les faces latérales du disque, caractérisé en ce que l'un au moins des dispositifs d'étanchéité comprend pour le contact avec le disque (1) un anneau de friction (13) fendu en un point (58) de sa périphérie.
2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau est fendu dans une région de raccordement central (11) entre deux bras radiaux (8, 8a) .
3. Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fente est oblique.
4. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fente a un profil sinueux.
5. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce les conduits amont et aval sont des conduits d'admission amont et respectivement aval
6. Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un trou central (21) du disque (1) ' débouche en dehors de l'anneau (13).
7. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le disque (1) comprend à l'extérieur des anneaux de friction (13, 14) un trou central (21) à l'intérieur duquel est logé un tirant métallique (22) reliant un couvercle extérieur (16) situé du côté du conduit d'admission amont (6), à un bâti intérieur fixe (26) situé de l'autre côté du disque (1), et en ce que le trou (21) est relié de manière étanche avec l'intérieur du conduit d'admission amont (6) .
8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé par un moyen (29, 31) appuyé au moins indirectement sur le tirant (22) pour solliciter élastiquement vers le bâti intérieur fixe (26) une région (27) du couvercle (16) adjacente au tirant (22) .
9. Echangeur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le trou central (21) communique, par des conduits (41) internes au disque (1), avec une chambre annulaire sensiblement étanche (64) ménagée autour du disque (1), lequel ferme cette chambre du côté radialement intérieur.
10. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le disque (1) comprend à l'extérieur des anneaux de friction un trou central (21) relié de manière sensiblement étanche avec l'intérieur du conduit d'admission amont (6) et communiquant par des conduits (41) internes au disque (1) avec une chambre annulaire sensiblement étanche (64) ménagée autour du disque (1), lequel ferme cette chambre du "côté radialement intérieur.
11. Echangeur selon l'une des revendications 9 ou
10, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement (4) sont portés par une jante (2) entourant le disque (1), en ce que la chambre (64) est ménagée entre la jante (2) et le disque (1) , et en ce que des ressorts comprimés radialement (63) sont montés dans la chambre (64) entre la jante (2) et le disque (1) .
12. Echangeur selon l'une des revendications 7 à
11, caractérisé par au moins un soufflet d'étanchéité (36, 38), appuyé de manière glissante contre le disque autour de l'une au moins des extrémités du trou central (21) du disque (1), le soufflet étant porté par une pièce fixe (34, 39) .
13. Echangeur selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'un soufflet d'étanchéité (36) est monté entre le disque (1) autour du trou central (21) et des moyens fixes (27), formant raccord adducteur de la pression d'admission dans le trou central, le soufflet étant appuyé avec liberté de rotation relative contre le disque.
14. Turbine à gaz comprenant au moins un échangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 13.
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