Description La présente invention concerne un echangeur 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 echangeur. Un tel echangeur 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 echangeur 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. 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.

La céramique est une matière supportant mal les contraintes de traction et de cisaillement. Or ces contraintes tendent à apparaître dans le disque d'échange à cause du couple d'entraînement qui lui est appliqué pour vaincre son inertie et les frottements dus notamment aux anneaux d'étanchéité. De telles contraintes tendent également à apparaître en raison du gaz sous pression qui traverse les alvéoles du disque.

Le FR-A-2 207 267 enseigne de combattre ces contraintes ou en tout cas leurs effets en soumettant le disque à une contrainte de compression radiale suffisante pour assurer la cohésion du disque. Deux variantes sont enseignées. Selon l'une, des ressorts radiaux sont interposés entre le disque et la jante. Selon l'autre, on fait parvenir la pression d'admission dans une chambre annulaire ménagée entre la périphérie du disque et la jante. Les ressorts, pour être efficaces, doivent soumettre la céramique à une contrainte permanente qui soit suffisante pour annihiler les effets des plus fortes contraintes nuisibles susceptibles d'apparaître. Ceci peut conduire à renforcer la céramique, par exemple à prévoir des parois plus épaisses entre alvéoles, d'où un disque plus cher et créant plus de pertes de charge. L'utilisation de la pression d'admission est insuffisante car elle équilibre seulement la contrainte d'éclatement liée à la présence des gaz dans les alvéoles.

En outre, contrairement aux gaz d'admission, les ressorts assurent une liaison d'entraînement par friction entre le disque et la jante, ce qui est commode.

Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un echangeur thermique assurant de manière plus rationnelle la précontrainte en compression dans le disque en céramique.

Suivant l'invention, l'echangeur thermique rotatif entre les gaz d'admission et les gaz d'échappement dans une turbine à gaz, comprenant un disque en matière céramique alvéolaire entouré par une jante munie de moyens d'entraînement en rotation- et des ressorts radiaux disposés entre une paroi intérieure de la jante et une surface périphérique du disque de céramique, est caractérisé en ce que le disque et la jante définissent entre eux une chambre annulaire sensiblement etanche communiquant avec le trajet d'admission.

Ainsi, d'une part la contrainte de compression du disque a grâce aux ressorts une composante constante suffisante pour neutraliser les risques de cisaillement de la céramique sous l'effet du couple d'entraînement qui lui est appliqué, même lorsque l'accélération angulaire atteint les valeurs maximales prévues. En même temps, les ressorts assurent l'entraînement du disque par friction à partir de la jante. Mais il s'ajoute à cela la ^' contrainte de compression due à la pression d'admission des gaz. Cette contrainte équilibre avec en toutes circonstances une bonne marge de sécurité les contraintes d'éclatement du disque dues à la présence des gaz d'admission comprimés à l'intérieur du disque. Par conséquent, grâce à l'invention, la contrainte de compression appliquée au disque prend à chaque instant une valeur appropriée.

Pour conduire la pression dans la chambre annulaire, on peut prévoir des conduits internes au disque, qui font communiquer la chambre annulaire avec un trou central du disque. Ce trou central est alors lui-même relié au trajet d'admission à l'amont du disque. Sur les faces du disque, le trajet d'admission peut être délimité -par des anneaux de friction. Ces anneaux sont soumis à de forts gradients de température entre leur région radiale voyant défiler la céramique chaude passant du trajet d'échappement dans le trajet

d'admission et leur autre région radiale voyant défiler la céramique refroidie passant du trajet d'admission dans le trajet d'échappement.

Le gradient est particulièrement fort dans la région proche de l'axe du disque qui raccorde les deux régions radiales précitées. Il a été trouvé que le gradient est moins défavorable si cette région proche de l'axe ne contourne pas l'axe du disque. Dans ce cas, le trou central du disque débouche à travers les faces du disque en dehors du trajet d'admission ; des moyens, par exemple à soufflet, sont prévus pour faire communiquer le trou central de manière étanche avec le trajet d'admission.

Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé une turbine à gaz comprenant un echangeur 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 echangeur thermique rotatif selon l'invention ;

- la figure 3 est une vue en coupe axiale de l'echangeur ;

- la figure 4 est une vue en coupe axiale de la partie centrale de l'echangeur 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'echangeur, dans deux plans axiaux différents ;

- la figure 10 est une vue en élévation de l'echangeur, 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 echangeur de chaleur rotatif 104. L'echangeur 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'echangeur 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'echangeur 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 échangeurs 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'echangeur 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 canal 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 fuire 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 1'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.

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.

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 excercée 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'echangeur, 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 tolérences, 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 zig-zag

(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 la 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 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.