FR2988822A1 - Echangeur thermique a plaques a ondulations sinusoidales pour turbomoteur - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un échangeur thermique (50) comportant une pluralité d'ensembles de paires de plaques (10,20), chaque plaque (10,20) comportant une zone périphérique (19,29) plane, une zone interne non plane munie d'ondulations sinusoïdales (13,23,14,24) et deux cheminées (11,21,12,22) positionnés à deux coins opposés desdites plaques (10,20). Les dites ondulations en crêtes (13,23) comprennent des crêtes intermédiaires (16,26) et supérieures (15,25) de hauteurs différentes. Un premier volume (51) est constitué par l'espace intérieur des ensembles et un second volume (52) constitué par l'espace extérieur entre lesdits ensembles de plaques, empilés les uns sur les autres, ledit second volume étant plus important que ledit premier volume. Un premier fluide circule alors dans le premier volume (51) et un second fluide circule dans le second volume (52), parallèlement et en sens inverse dudit premier fluide.

Description

Echangeur thermique à plaques à ondulations sinusoïdales pour turbomoteur. La présente invention se trouve dans le domaine des échangeurs de chaleur. L'invention concerne un échangeur thermique à plaques dans lequel deux fluides circulent à contre- courant ainsi que le procédé permettant de réaliser un tel échangeur. Cet échangeur thermique est particulièrement destiné au réchauffement de l'air d'admission d'une turbine à gaz, équipant un aéronef, notamment un hélicoptère. L'invention concerne également une turbine à gaz équipée de cet échangeur ainsi qu'un aéronef à voilure tournante, tel un hélicoptère, motorisé par une ou plusieurs de ces turbines à gaz. En effet, il est connu que le rendement des turbines à gaz est relativement faible. Notamment pour les turbomoteurs, type particulier de moteurs avec des turbines à gaz utilisés traditionnellement pour les hélicoptères, ce rendement est de l'ordre de 25%. Une solution connue pour améliorer ce rendement est de réchauffer l'air, après compression et avant son admission dans la chambre de combustion du turbomoteur. Cela permet alors de réduire le besoin thermique dans la chambre de combustion, et par suite, de réduire la consommation en carburant du turbomoteur. Ce réchauffement de l'air d'admission peut notamment être obtenu en utilisant la chaleur des gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion, cette chaleur n'étant généralement pas utilisée. Pour cela, des échangeurs thermiques adaptés sont notamment utilisés dans les centrales thermiques industrielles. Par contre, l'application de tels échangeurs au domaine spécifique des turbomoteurs d'hélicoptères se heurte à plusieurs problèmes majeurs, la masse et le volume de ces échangeurs ainsi qu'une perte de puissance du moteur utilisant un tel échangeur. En effet, les gaz d'échappement sortent de la chambre de combustion du turbomoteur à grande vitesse et leur circulation dans un échangeur récupérant une partie de leur chaleur génère des pertes de charge importantes sur la circulation de ces gaz, qui entraînent alors une perte de puissance du turbomoteur. De plus, le volume disponible dans un hélicoptère étant restreint, l'implantation d'un échangeur sur un turbomoteur pose 10 des problèmes d'encombrement. Enfin, la masse est également un critère important affectant les performances de l'hélicoptère. On connait le document FR2280870 qui décrit un échangeur dont les deux fluides circulent à contre courant. Cet échangeur est formé par des plaques métalliques, en aluminium par exemple, 15 comportant des ondulations régulières. Ces ondulations sont parallèles ente elles et perpendiculaires aux flux des deux fluides. Les deux cavités constituées par ces plaques ont un même volume, l'espacement entre les plaques étant constant et assuré par des entretoises et des bossages sur chaque plaque. 20 L'étanchéité entre les plaques est obtenue par l'utilisation de matière plastique synthétique, la fixation des plaques entre elles étant obtenue par sertissage. Le document US6016865 divulgue un échangeur à plaques pour l'échange thermique entre un premier fluide à haute pression 25 et faible débit et un second fluide à basse pression et grand débit. Chaque plaque comporte des formes en saillie et en creux en chevrons, qui sont inclinées par rapport aux flux des fluides. Ces formes sont également inclinées entre elles sur deux plaques adjacentes.

Les plaques sont assemblées deux par deux par brasure sur leurs zones périphériques et au niveau des points d'appui entre les formes en creux. Ces ensembles sont ensuite empilés les uns sur les autres, étant en appui sur des bossages. Ainsi, les fluides peuvent circuler dans deux volumes indépendants, permettant un échange thermique entre eux. Le document CN1873200 décrit un échangeur à plaques dont les deux fluides circulent à contre courant. Chaque plaque, d'une faible épaisseur comprise entre 0.1 et 0.2 mm, comporte des ondulations sinusoïdales régulières d'une hauteur de 0.6 à 2 mm. Ces ondulations sont inclinées par rapport aux flux des fluides. Elles sont également inclinées entre elles sur deux plaques adjacentes d'un angle compris entre 30° et 60°. Ces trois échangeurs sont utilisables dans un moteur, leurs 15 volumes et leurs masses étant dans des proportions raisonnables. Cependant, ils ne permettent pas de répondre à l'ensemble des contraintes générées par un turbomoteur équipant un hélicoptère. Hormis les contraintes de volumes et de masse précédemment évoquées, les gaz d'échappement d'un turbomoteur 20 sont extrêmement chauds, de l'ordre de 700°C (degrés Celsius). De fait, les éléments constituant l'échangeur doivent être capables de résister à de telles températures. De plus, l'écart de température entre ces gaz d'échappement et l'air d'admission est important, de l'ordre de 400°C. De même, 25 l'écart de pression entre les deux fluides est important, les gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion du turbomoteur à la pression atmosphérique, alors que l'air d'admission entre dans l'échangeur à une pression comprise entre 6 et 11 bars.

Ces différences de pression et de température entre les deux fluides sont génératrices de contraintes thermiques et mécaniques entre les cavités de l'échangeur, dans lesquelles circulent les deux fluides. Ces contraintes sont susceptibles d'occasionner notamment des fissures sur les composants de cet échangeur et des criques ou des ruptures au niveau des soudures. De plus, ces différences de pression et de températures entre les deux fluides sollicitent également l'étanchéité entre les cavités de l'échangeur.

Enfin, pour avoir un rendement thermique correct de l'échangeur, c'est-à-dire une grande capacité de transmettre la chaleur des gaz d'échappement à l'air d'admission, les fluides doivent circuler sur une surface importante. Par suite, la convection thermique entre les deux fluides est importante.

Un brassage des fluides permet également d'améliorer cet échange thermique. Par contre, ce brassage crée un écoulement turbulent de ces fluides, générant des pertes de charge qui peuvent être importantes. Les pertes de charge d'un fluide sont proportionnelles au carré de la vitesse de ce fluide. De fait, l'air d'admission circulant à faible vitesse, les pertes de charge subies sont très faibles. Par contre, les pertes de charge des gaz d'échappement sont d'autant plus importantes qu'ils sortent de la chambre de combustion d'un turbomoteur à grande vitesse. Ces pertes de charge entraînent alors une perte de puissance du turbomoteur, qui est préjudiciable pour certaines phases de vol particulières, telles que les phases de décollage, d'atterrissage et de vol stationnaire.

La présente invention a alors pour objet de proposer un échangeur thermique à plaques permettant de s'affranchir des limitations mentionnées ci-dessus. Selon l'invention, un échangeur thermique comporte au moins deux ensembles de paires de plaques métalliques. Chaque plaque comporte une zone périphérique plane, une zone interne non plane comportant des crêtes et des creux dirigés selon des directions parallèles, une cheminée d'entrée et une cheminée de sortie positionnées à deux coins opposés de la plaque.

La zone périphérique plane forme un plan inférieur dans lequel se situent les creux. La cheminée d'entrée et la cheminée de sortie s'élèvent de la zone périphérique jusqu'à un plan supérieur parallèle au plan inférieur. Les plaques sont assemblées par paire, en s'appuyant au niveau de leurs zones périphériques et des croisements des creux. Chaque ensemble de paire de plaques ainsi formé est assemblé par brasure d'une part au niveau des points d'appui de leurs zones périphériques et d'autre part au niveau d'au moins un point de contact des creux. Dans un tel ensemble, les directions des creux et des crêtes des deux plaques forment un angle aigu. Une conduite d'entrée de l'échangeur est formée par la totalité des premières cheminées de chaque plaque constituant les ensembles de paires de plaques. De même, une conduite de sortie est formée par la totalité des secondes cheminées de chaque plaque. Une première cavité est constituée par l'espace entre deux plaques d'un ensemble. La totalité des premières cavités des ensembles de paires de plaques forme ainsi un premier volume. Un premier fluide circule alors dans le premier volume entre la conduite d'entrée et la conduite de sortie. Une seconde cavité est constituée par l'espace entre deux ensembles adjacents de paires de plaques. La totalité des secondes cavités des ensembles de paires de plaques forme ainsi un second volume. Un second fluide circule alors, parallèlement et en sens inverse du premier fluide, entre une entrée et une sortie de l'échangeur. Ce dispositif est remarquable en ce que les crêtes de chaque plaque incluent au moins une crête intermédiaire et au moins une crête supérieure. Chaque crête intermédiaire se situe dans un plan intermédiaire, qui est parallèle aux plans inférieur et supérieur, et positionné entre ces deux plans. Chaque crête supérieure se situe dans le plan supérieur.

Les ensembles de paires de plaques sont empilés de telle sorte que deux ensembles adjacents sont en appui au niveau des croisements des crêtes supérieures ainsi qu'au niveau des points d'appui des cheminées d'entrée et des cheminées de sortie, c'est-à-dire dans le plan supérieur. Les directions des creux et des crêtes de deux plaques adjacentes forment un angle aigu. L'utilisation de crêtes intermédiaires et supérieures de hauteurs différentes permet au second volume d'avoir une taille supérieure au premier volume. De fait, les pertes de charge du second fluide circulant dans le second volume sont inférieures aux pertes de charge du premier fluide circulant dans le premier volume. La première cavité est constituée par l'espace entre deux plaques d'un ensemble, les deux plaques étant en contact notamment au niveau des creux. De fait, elle est constituée par l'espace entre les crêtes intermédiaires et supérieures, l'espace de la cheminée d'entrée et de la cheminée de sortie de chaque plaque n'en faisant pas partie. La seconde cavité est obtenue par l'empilage de deux 5 ensembles de paires de plaques, qui sont notamment en appui au niveau des crêtes supérieures. Elle comprend l'espace entre deux ensembles adjacents de paires de plaques. La hauteur de cette première cavité correspond à deux fois la hauteur des crêtes intermédiaires, à l'exception de la zone des 10 crêtes supérieures où la hauteur est alors de deux fois la hauteur des crêtes supérieures. Une hauteur moyenne de la première cavité peut alors est déterminée. Cette hauteur moyenne sera comprise entre deux fois la hauteur des crêtes intermédiaires et deux fois la hauteur des crêtes supérieures. 15 Par contre, la hauteur maximum de la seconde cavité correspond sur toute sa surface à la zone des crêtes supérieures, c'est à dire à deux fois la hauteur des crêtes supérieures. De fait, une hauteur moyenne de la seconde cavité, proche de cette hauteur maximum, peut être déterminée. 20 La hauteur des crêtes intermédiaires correspond à la distance entre le plan inférieur et le plan intermédiaire, la hauteur des crêtes supérieures correspondant à la distance entre le plan inférieur et le plan supérieur. De plus, le plan intermédiaire est situé entre le plan inférieur 25 et le plan supérieur. La distance entre le plan inférieur et le plan supérieur est plus grande que la distance entre le plan inférieur et le plan intermédiaire. De fait, la hauteur moyenne de la seconde cavité est supérieure à la hauteur moyenne de la première cavité. Par suite, le volume de la seconde cavité est supérieur au volume de la première cavité. Les ensembles de plaques sont empilés pour former l'échangeur thermique, objet de l'invention. L'échangeur comporte ainsi plusieurs premières cavités et plusieurs secondes cavités. Les premières cavités sont reliées entre elles par l'intermédiaire de la conduite d'entrée formée par les cheminées d'entrée de chaque plaque et par l'intermédiaire de la conduite de sortie formée par les cheminées de sortie de chaque plaque.

Comme vu ci-dessus, la totalité des premières cavités constitue ainsi le premier volume de l'échangeur. Les conduites d'entrée et de sortie débouchent hors de l'échangeur et permettent l'entrée ainsi que la sortie du premier fluide circulant dans le premier volume.

Les secondes cavités sont reliées entre elles par l'espace en périphérie de chaque plaque, notamment, par une entrée et une sortie de l'échangeur, permettant au second fluide d'entrer et de sortir de l'échangeur. Comme vu ci-dessus, la totalité des secondes cavités constitue le second volume. Ce second volume est limité par un carter dans lequel sont intégrés les ensembles de plaques. En conséquence, le second volume, où circule le second fluide, est de taille supérieure au premier volume, où circule le premier fluide. La circulation du second fluide est ainsi facilitée, ce qui est favorable pour réduire les pertes de charge. De plus, les secondes cavités étant obtenues par l'appui des ensembles de paires de plaques sur les crêtes supérieures, la circulation du second fluide peut alors se dérouler plus facilement entre chaque crête supérieure. En effet, au moins une partie du second fluide circule sans obstacle entre chaque crête supérieure, alors que le reste du second fluide suit les creux et les crêtes inférieures des plaques, En conséquence, les pertes de charge subies par le second fluide sont réduites.

Avantageusement, plus ce nombre de crêtes supérieures est inférieur au nombre des crêtes intermédiaires, plus la réduction des pertes de charge du second fluide est importante. Par exemple, chaque plaque comporte avantageusement trois crêtes supérieures réparties sur la totalité de la zone interne de la plaque.

Enfin, l'utilisation sur une plaque de lignes de crêtes et de lignes de creux parallèles permet également de réduire les perturbations des fluides par rapport aux systèmes de formes en chevrons que l'on peut rencontrer dans de nombreux échangeurs. En effet, de tels systèmes en chevrons concentrent un écoulement turbulent au niveau de la pointe de ces chevrons, favorable à l'échange thermique, mais augmentant significativement les pertes de charge. En conséquence, le second fluide traverse les secondes cavités, donc l'échangeur, en limitant l'apparition de pertes de 20 charge. Cependant, les échanges thermiques entre les deux fluides restent importants. Tout d'abord, les hauteurs de crêtes des plaques sont importantes. En effet, plus la surface de la plaque en contact avec le premier et le second fluide est importante, plus 25 l'échange thermique est important. Les crêtes intermédiaires et supérieures ont donc des hauteurs importantes afin de maximiser cette surface de contact de chaque plaque avec les fluides. Par exemple, la distance entre le plan inférieur et le plan intermédiaire, correspondant à la hauteur des crêtes intermédiaires, est comprise entre 4 et 8 mm, alors que la distance entre le plan inférieur et le plan supérieur, correspondant à la hauteur des crêtes supérieures, est comprise entre 6 et 10 mm. Dans un mode de réalisation particulier, la hauteur des crêtes 5 intermédiaires est de 6 mm, alors que la hauteur des crêtes supérieures est de 8 mm. De plus, le premier fluide, circulant dans les premières cavités rencontre et suit les creux et les crêtes de chaque plaque. De fait, l'écoulement de ce premier fluide est turbulent ce qui est 10 favorable à la convection thermique de ce fluide avec les plaques de l'échangeur et le second fluide. Par contre, cet écoulement turbulent est générateur de pertes de charge sur le premier fluide. Le second fluide circule dans les secondes cavités, dont la hauteur est plus importante que celle des premières cavités. Cet 15 écoulement est donc moins perturbé que celui du premier fluide. Il suit cependant les crêtes et les creux et rencontre également les crêtes supérieures. Des turbulences sont alors générées, mais elles sont inférieures à celles subies par le premier fluide. Par suite, l'écoulement de ce second fluide est moins 20 turbulent que l'écoulement du premier fluide, mais il permet cependant un échange thermique avec les plaques et le premier fluide. En conséquence, il y a bien échange thermique entre le premier fluide et le second fluide circulant dans l'échangeur. 25 L'efficacité de cet échange thermique est également augmentée par l'utilisation d'une circulation à contre courant des deux fluides, c'est-à-dire que le premier fluide circule parallèlement, mais en sens inverse par rapport au second fluide.

En effet, l'écart de température entre les deux fluides est alors réduit, tout au long de leurs circulations, l'entrée d'un fluide dans l'échangeur correspondant à la sortie de l'autre fluide. De fait, l'écart de température entre les deux fluides étant réduit, l'efficacité de cet échange thermique est améliorée. Pour avoir, une fois encore, un bon compromis entre échange thermique et pertes de charge, les crêtes et les creux des plaques forment un angle avec la direction de circulation des deux fluides. En effet, si les directions des creux et des crêtes étaient parallèles à la direction de circulation des fluides, leurs effets sur les pertes de charge seraient minimes, mais elles généreraient par contre peu de mouvements de ces fluides. Elles ne favoriseraient alors pas les turbulences, et par suite, les échanges thermiques entre les fluides.

A contrario, si les directions des creux et des crêtes étaient perpendiculaires à la direction de circulation des fluides, elles généreraient beaucoup de mouvements, donc de turbulence sur ces fluides, favorisant ainsi les échanges thermiques. Par contre, leurs effets sur les pertes de charge seraient alors importants.

En conséquence, pour avoir un bon compromis permettant de générer une turbulence acceptable sur les deux fluides, et par suite un bon échange thermique, tout en limitant les pertes de charge sur ces deux fluides, les directions des lignes de creux et des lignes de crêtes sont inclinées par rapport à la direction de circulation des deux fluides d'un angle aigu. Par exemple, l'angle entre les directions des creux ainsi que celles des crêtes et la direction de circulation des deux fluides est compris entre 30° et 40° De même, l'angle entre les directions des creux et des crêtes 30 de deux plaques adjacentes a des effets sur les turbulences des écoulements des deux fluides et sur les pertes de charge de ces fluides. De la même manière que précédemment, et pour obtenir un bon compromis entre pertes de charge et turbulences, et par suite échange thermique, cet angle entre les directions des creux et des crêtes de deux plaques adjacentes doit être un angle aigu. De préférence, l'angle entre les directions des creux et des crêtes de deux plaques adjacentes est compris entre 60° et 80°. Un autre avantage de l'échangeur selon l'invention est son mode d'assemblage. En effet, les ensembles de paires de plaques selon l'invention sont obtenus par brasure de deux plaques, au niveau de leurs points de contact, notamment sur la zone périphérique. Ce type de soudure garantie une étanchéité à ces ensembles, et par suite du premier volume, même lorsqu'ils sont soumis à des pressions et des températures importantes.

De plus, l'échangeur est obtenu par l'empilage de ces ensembles. La fixation de ces ensembles entre eux peut être obtenue par bridage. Mais de préférence, ces ensembles de plaques seront fixés par brasure, au niveau des points d'appui des cheminées d'entrée et de sortie.

Ce mode de fixation garantit là encore l'étanchéité de l'échangeur, notamment au niveau des conduites d'entrée et de sortie, formées respectivement par les cheminées d'entrée et de sortie de chaque plaque. De plus, ce type de fixation entre les plaques permet également de garantir la tenue de l'échangeur aux contraintes thermiques et mécaniques qu'il subit. Le dispositif peut de plus comporter une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires. Par exemple, les crêtes et les creux sont des ondulations sinusoïdales. Ce type de forme est favorable à une bonne circulation des premier et second fluides dans les premières et secondes cavités. En effet, ces formes ne présentent ni arête ni angle vif. De fait, les fluides peuvent suivre les ondulations en limitant les pertes de charge générées par ces formes.

Cependant, le premier fluide, circulant dans les premières cavités de volume plus restreint, est contraint de suivre exactement ces ondulations, ce qui permet d'intensifier le décollement des couches de fluides adjacentes aux parois. De fait, un mouvement oscillatoire de ce premier fluide apparait. Ce type de mouvement est particulièrement favorable à l'échange thermique. Le second fluide, circulant dans les secondes cavités ayant une hauteur plus importante, ne suit que partiellement ces formes. En effet, au moins une partie du second fluide circule sans obstacle entre deux crêtes supérieures, alors que le reste du second fluide suit les creux et les crêtes inférieures des plaques. Par suite, un écoulement moins turbulent que l'écoulement du premier fluide se produit, permettant d'avoir ainsi un bon compromis entre échange thermique et pertes de charge pour ce second fluide. De plus, le mouvement oscillatoire du premier fluide est amplifié par la hauteur importante des crêtes et des creux. Enfin, la grande hauteur des crêtes et des creux permet d'avoir une surface importante d'échange entre les premier et 25 second fluides, et par suite un échange thermique important. De fait, l'échange thermique entre les deux fluides est amélioré, tout en limitant les pertes de charge du second fluide.

Dans un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur thermique comporte un carter dans lequel sont logés les ensembles de paires de plaques empilés. Le carter est muni de parois, entre lesquelles sont logés les 5 ensembles de paires de plaques, deux ouvertures étant agencées dans le carter, pour former l'entrée et la sortie de l'échangeur pour le second fluide. Une troisième cavité est ainsi constituée par l'espace situé entre ces ensembles de paires de plaques et les parois du carter. Cette troisième cavité s'ajoute aux secondes 10 cavités pour former le second volume. Les parois du carter limitent alors le second volume, le second fluide pouvant uniquement entrer dans l'échangeur par l'entrée de l'échangeur et ne pouvant en sortir que par la sortie. De plus, cette troisième cavité comporte une pluralité de 15 peignes permettant de créer des pertes de charge sur le second fluide et de l'orienter vers les secondes cavités. En effet, un fluide se dirige naturellement vers l'espace facilitant sa circulation, c'est-à-dire où les pertes de charge sont les plus faibles. Le second fluide se dirigerait donc naturellement et essentiellement vers la 20 troisième cavité si elle ne comportait pas ces peignes. Ces peignes occupent donc la totalité de la hauteur de la troisième cavité, entre les parois du carter et les ensembles de plaques, afin de faire obstacle au second fluide et de l'orienter vers les secondes cavités. 25 Ces peignes permettent également par leur forme particulière de se positionner entre les ensembles de plaques, garantissant ainsi l'espacement, en périphérie, entre ces ensembles de plaques. De plus, ces peignes assurent un renforcement de l'assemblage des ensembles de plaques, notamment pour résister aux différences de pression pouvant exister entre les premier et second fluides. Afin que l'ensemble de l'échangeur soit homogène, en termes de matière et de dilatation thermique notamment, les peignes sont dans un matériau du type du matériau des plaques constituant cet échangeur. De préférence, les peignes sont réalisés dans le même matériau que ces plaques. Dans un mode de réalisation de l'invention, une première paroi du carter obstrue une extrémité de la conduite d'entrée, une seconde paroi du carter obstruant une extrémité de la conduite de sortie. Cette première paroi et cette seconde paroi peuvent constituer la même paroi du carter. De préférence, ces deux parois se trouvent sur des faces opposées du carter. L'échange thermique entre les fluides est alors augmenté, le premier fluide devant traverser la totalité de l'échangeur, d'une face à l'autre du carter. Selon une variante de l'invention, chaque crête supérieure des plaques est obtenue à partir d'une crête intermédiaire sur laquelle est fixée une cale. Cette variante peut éviter les inconvénients suivants.

En effet, la crête supérieure peut être difficile à mettre en forme suivant la hauteur de cette crête supérieure ou bien le matériau utilisé, la limite d'allongement du matériau pouvant être dépassée. De plus, le fait d'avoir une crête supérieure entourée de nombreuses crêtes intermédiaires peut générer une fragilisation de la plaque, l'épaisseur de la plaque pouvant être réduite au niveau de cette crête supérieure. Enfin, il peut être intéressant de fabriquer des plaques comportant uniquement des crêtes intermédiaires. Ces plaques sont alors plus faciles à fabriquer et plus homogènes en termes d'épaisseur et de tenue mécanique. Ensuite, il est possible de positionner un nombre variable de cales en fonction de l'application souhaitée de l'échangeur ou bien de choisir une hauteur de cales adaptée à cette application. Afin que l'ensemble de l'échangeur soit homogène, en termes de matière et de dilatation thermique notamment, les cales sont dans un matériau du type du matériau des plaques constituant cet échangeur. De préférence, les cales sont dans le même matériau que ces plaques. De plus, chaque cale peut être fixée par brasure sur la crête intermédiaire correspondante. Suivant l'application de l'échangeur selon l'invention, et notamment lors de son utilisation dans un turbomoteur d'hélicoptère, les composants de l'échangeur peuvent être soumis à de fortes contraintes thermiques et mécaniques. En effet, les fluides circulant dans les premières cavités et les secondes cavités peuvent être à des températures élevées et très différentes, ainsi qu'à des pressions également élevées et différentes. Par ailleurs, ces sollicitations sont accentuées lorsque l'hélicoptère réalise de nombreux démarrages et arrêts dans des temps rapprochés, par exemple deux à quatre démarrages en une heure. En effet, dans ce cas, l'échangeur est soumis de façon répétée à des montées rapides en température et en pression, puis à des baisses de température et de pression, sans période de stabilisation. De ce fait, des contraintes thermiques et mécaniques importantes ainsi qu'un phénomène de fatigue sont susceptibles d'occasionner notamment des fissures sur les plaques de cet échangeur ou bien des criques voire des ruptures au niveau des soudures.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les plaques sont réalisées à partir d'un matériau connu sous le nom « inconel® » et les brasures sont réalisées avec de l'inconel® comme métal d'apport. De même, les parois du carter sont en inconel® et leur assemblage est réalisé par brasage avec de l'inconel® comme métal d'apport. De plus, pour que l'ensemble de l'échangeur reste homogène, en termes de matière et de dilatation thermique notamment, les peignes et les cales formant les crêtes supérieures 10 sont le cas échéant également en Inconel®. Par exemple, dans le cas d'un turbomoteur d'hélicoptère, les gaz d'échappement, qui correspondent alors au second fluide, sont extrêmement chauds, de l'ordre de 700°C, et l'écart avec la température de l'air d'admission, qui correspond alors au premier 15 fluide, est de l'ordre de 400°C. L'écart de pression est également important, les gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion, donc entrant dans l'échangeur, à la pression atmosphérique, c'est-à-dire une pression de l'ordre de 1 bar et l'air d'admission entrant dans l'échangeur à une pression comprise 20 entre 6 et 11 bars. De fait, les composants constituant l'échangeur, notamment les plaques, ainsi que le mode de fixation de ces plaques, doivent être capables de résister à de telles températures et à de telles pressions. Les matériaux traditionnellement utilisés dans les 25 échangeurs sont l'aluminium et les aciers inoxydables. Mais ces matériaux ne sont pas compatibles avec les températures des gaz d'échappement que l'on rencontre dans les turbomoteurs, l'acier inoxydable, le plus performant dans ce domaine, pouvant difficilement être utilisé à des températures supérieures à 600°C.

L'inconel®, qui peut être utilisé à des températures supérieures à 800°C est un matériau compatible avec les températures des gaz d'échappement. Ce matériau fait partie de la gamme des super-alliages. Il contient une grande quantité de nickel et de chrome, ce qui lui permet d'avoir des propriétés mécaniques importantes à des températures élevées. Il peut également contenir, en tant que métaux d'alliage secondaires, du molybdène, du manganèse, du cuivre ou du fer. Par exemple l'inconel® 625 contient au moins 58% de nickel, 10 entre 20% et 23% de chrome et 8 à 10% de molybdène, alors que la quantité de fer est de 5% maximum. L'inconel® présente des caractéristiques mécaniques supérieures à un acier inoxydable. Par contre, le coût de l'inconel® est beaucoup plus important que celui d'un acier inoxydable. 15 Des informations complémentaires sur l'inconel® sont disponibles sur le site internet http://www.specialmetals.com/ du fabricant de ce matériau, la société « Special Metals Corporation ». Par contre, la conductivité thermique de l'inconel® est faible, nettement inférieure à celle d'un acier doux ou à celle de 20 l'aluminium. De fait, son utilisation n'est pas habituelle dans un échangeur thermique. De plus, la mise en forme de l'inconel® peut s'avérer complexe suivant les formes souhaitées. Pour compenser cette faible conductivité thermique et fournir à l'échangeur selon l'invention, un bon rendement thermique, 25 l'épaisseur des plaques constituant l'échangeur est réduite. En effet, en réduisant l'épaisseur de ces plaques à une valeur comprise entre 0.2 et 0.6 mm par exemple, les échanges thermiques entre les deux fluides se font quasiment directement, c'est-à-dire comme s'il n'y avait pas de plaques entre eux. De fait, le rendement thermique de l'échangeur est excellent malgré l'utilisation d'un matériau à faible conductivité thermique. Dans un mode de réalisation particulier, l'épaisseur des plaques est de 0.4 mm.

La tenue à la corrosion de l'inconet® est également très importante, ce qui est favorable à l'utilisation dans un échangeur destiné à un turbomoteur d'hélicoptère. En effet, les gaz d'échappement contiennent de l'eau issue de la combustion du carburant, qui pourrait générer l'oxydation d'un matériau non résistant. L'inconel® est également d'une grande ductilité. Cette caractéristique permet alors aux ensembles de plaques de résister aux différences de température et de pression entre les premières et les secondes cavités qui sont très importantes, sans dégradation de ces plaques. Ces différences de température et de pression entre les cavités sont également susceptibles d'occasionner des criques et des ruptures au niveau des soudures. L'utilisation de l'inconel® en tant que métal d'apport lors du brasage des plaques permet d'éviter également ces dégradations. En effet, l'utilisation d'un métal d'apport très proche du métal constituant les plaques permet de limiter les effets différentiels de déformation dans ces zones de brasage entre les plaques et la brasure, donc d'éviter l'apparition de criques ou de ruptures.

De plus, les plaques sont assemblées entre elles par un brasage dit « dur », réalisé à plus de 450°C. Afin de résister aux températures des fluides lors du fonctionnement de l'échangeur, le métal d'apport est un alliage d'inconel® modifié en fonction du point de brasage, pour abaisser sa température de fluage, au fur et à mesure du montage de l'échangeur. En effet, les différentes étapes de brasure doivent s'enchaîner dans des conditions spécifiques, afin qu'une étape de 5 brasure ne vienne pas détériorer ou détruire les brasures de l'étape précédente. Par exemple, les étapes de brasure sont : - assemblage des plaques par paire pour obtenir un ensemble de paire de plaques : brasures aux points de contact des creux 10 (environ 800 points) et des zones périphériques des plaques à une température d'environ 1100°C. - assemblage des ensembles de paires de plaques pour former l'échangeur : brasures aux points d'appui des cheminées d'entrée et de sortie à une température d'environ 950°C. 15 - assemblage des extrémités des conduites d'entrée et de sortie avec les parois du carter : brasures entre les conduites et les parois du carter de l'échangeur à une température d'environ 850°C. Enfin, les différences de pression et de température entre les 20 deux fluides sollicitent également l'étanchéité entre les deux cavités de l'échangeur. L'étanchéité dans l'échangeur selon l'invention est assurée par le brasage entre les plaques. Comme évoqué précédemment, l'utilisation de l'inconel® comme métal d'apport lors de ces brasages permet de garantir une bonne tenue 25 des zones de soudure à ces sollicitations, et par suite une bonne tenue de l'étanchéité. Par contre, la faible épaisseur des plaques en inconel® pourrait poser problème vis à vis des contraintes mécaniques, notamment la différence de pression entre les deux fluides circulant dans les premières et les secondes cavités, et des contraintes thermiques. La forme et l'assemblage des plaques permettent de résister à ces contraintes.

Tout d'abord, les crêtes et les creux sont des ondulations sinusoïdales. Elles permettent d'avoir une répartition homogène de la pression de chaque fluide sur chaque surface des plaques. De plus, ces ondulations permettent d'avoir une répartition thermique uniforme sur les plaques, évitant ainsi l'apparition de points chauds susceptibles de fragiliser les plaques. Ensuite, les plaques sont soudées par paire à la fois sur la zone périphérique des plaques, mais également sur les points de contacts entre les creux de ces plaques. De fait, ces nombreux points de soudure participent à la bonne tenue des plaques à cette différence de pression. Enfin, les ensembles de paires de plaques sont en appui sur les crêtes supérieures de ces plaques et assemblés au niveau des cheminées d'entrée et de sortie, ce qui contribue également à la bonne tenue de l'assemblage des plaques.

En conséquence, ces nombreux points de fixation entre les plaques, combinés avec les bonnes caractéristiques mécaniques de l'inconel®, assurent une très bonne résistance à l'échangeur et lui permettent ainsi de supporter des contraintes thermiques et mécaniques importantes.

La réalisation des ondulations d'une grande hauteur est également une opération délicate. En effet, quel que soit le matériau utilisé, sa limite d'allongement peut être dépassée et des fissures ou criques, dues aux contraintes de formage de la plaque, peuvent apparaitre dans certaines zones de cette plaque.

L'utilisation de 'Inconel® ne facilite pas ce formage, ces caractéristiques mécaniques n'étant pas favorable à de telles mises en forme. Pour pallier à ces risques, la technique de l'électro- hydroformage est utilisée. Cette technique consiste à déformer plastiquement une pièce de faible épaisseur, une plaque par exemple, sous l'action d'un fluide sous pression placé dans un champ électrique intense. Cette déformation se fait selon une matrice, représentant la 10 forme souhaitée de la plaque. Afin de limiter les contraintes internes à la plaque, dans le cas de grandes déformations, plusieurs passes peuvent être réalisées. Pour la réalisation des plaques de l'échangeur selon l'invention, quatre passes équivalentes d'électroformage sont 15 nécessaires. Par exemple, lors de chaque passe, une pression de 400 bars est appliquée au fluide et une déformation des plaques de l'ordre d'un quart de la déformation finale est obtenue. Entre chaque passe, un recuit des plaques à 800°C est réalisé afin de libérer les contraintes internes des plaques et éviter ainsi 20 l'apparition de fissures ou de criques. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur comporte un troisième volume dans lequel le second fluide peut circuler. En effet, l'objet de l'invention est entre autre de limiter 25 l'apparition des pertes de charge du second fluide circulant dans l'échangeur, mais il y a tout de même des pertes de charge. Dans le cas de l'utilisation de l'échangeur dans un turbomoteur d'hélicoptère, ces pertes de charge entraînent une baisse de la puissance de ce turbomoteur comme vu précédemment.

Ces pertes de charge peuvent être préjudiciables, notamment dans des phases de vol particulières de l'hélicoptère telles que le décollage, l'atterrissage et le vol stationnaire. La baisse de puissance directement liée aux pertes de charge des gaz d'échappement est de l'ordre de 7 à 11%. L'échangeur selon l'invention permet de pouvoir récupérer l'essentiel de la puissance du moteur en permettant au second fluide, le gaz échappement dans le cas d'un turbomoteur, de circuler, lors de ces phases de vol particulières, dans un troisième volume en lieu et place du second volume, où il subira très peu de pertes de charge. Ce troisième volume est positionné en parallèle des premier et second volumes, en périphérie des ensembles de paires de plaques. Il est constitué par l'espace entre les ensembles de paires 15 de plaques et au moins une paroi du carter, par exemple. Aucun aménagement complexe n'est nécessaire pour orienter le second fluide vers le second ou le troisième volume. En effet, un fluide se dirige naturellement vers l'espace où il peut circuler le plus facilement, c'est-à-dire où les pertes de charge sont les plus 20 faibles. Le second fluide se dirige donc naturellement vers le troisième volume. Ce troisième volume doit avoir une surface d'entrée représentant 20 à 40% de la surface frontale de l'échangeur pour obtenir une puissance équivalente à l'essentiel de celle du même turbomoteur sans échangeur. 25 Par contre, le second fluide ne doit pas circuler dans ce troisième volume hors de ces phases de vol particulières de l'hélicoptère évoquées précédemment, pour permettre d'obtenir les avantages de l'invention. Ce troisième volume comporte donc des volets mobiles qui permettent dans une première position ouverte 30 la circulation du second fluide dans le troisième volume et qui ne permettent pas dans une seconde position fermée la circulation du second fluide dans le troisième volume. Dans cette seconde position, le second fluide circule alors dans le second volume. Dans la seconde position fermée, les volets occupent par exemple toute la hauteur de ce troisième volume. De fait, le second fluide rencontre, dans ce troisième volume, des obstacles constitués par ces volets et est orienté vers une zone dans laquelle il peut circuler, c'est-à-dire le second volume de l'échangeur. Dans la première position ouverte, les volets libèrent par exemple la hauteur de ce troisième volume. De fait, le second fluide rencontre, dans ce troisième volume, un espace libre. L'essentiel de ce second fluide s'oriente alors naturellement vers cette zone dans laquelle il peut circuler librement, c'est-à-dire subissant moins de pertes de charge que dans le second volume de l'échangeur. Une très faible partie du second fluide peut toutefois circuler dans le second volume. Afin que l'ensemble de l'échangeur soit homogène, en termes de matière et de dilatation thermique notamment, les volets sont dans un matériau proche de celui des plaques constituant cet échangeur. De préférence les volets sont dans le même matériau que ces plaques. Dans le cas de l'utilisation de l'échangeur dans un turbomoteur d'hélicoptère, l'ouverture des volets permet donc de basculer entre deux modes d'utilisation du moteur. Dans la position volets ouverts, le turbomoteur peut fournir le maximum de puissance pour certaines phases de vol. Dans la position volets fermés, la puissance du moteur diminue de l'ordre de 7 à 11%. Mais l'énergie perdue est en fait utilisée pour réchauffer l'air d'admission. Par suite, la consommation de carburant du turbomoteur est réduite. De plus, le passage des gaz d'échappement dans l'échangeur, permet également de réduire le bruit généré par ce turbomoteur. Le passage de la seconde position fermée des volets, qui est la position d'utilisation normale, à la première position ouverte des volets, qui est la position de pleine puissance du turbomoteur, est obtenu par des moyens de déplacement des volets qui peuvent être intégrés à l'échangeur ou bien au turbomoteur. Ces moyens de déplacement peuvent être commandés de plusieurs manières, par exemple par le pilote de l'hélicoptère en fonction de ses besoins de puissance. De préférence, ils sont commandés par un calculateur présent dans l'hélicoptère, qui optimise l'utilisation de la puissance du turbomoteur et sa consommation. En outre, l'invention a aussi pour objet une turbine à gaz équipée d'un tel échangeur. Le premier fluide est alors constitué par l'air d'admission de la chambre de combustion de la turbine, sortant d'un compresseur, et le second fluide est constitué par les gaz d'échappement sortant de cette chambre de combustion. La turbine à gaz comporte au moins une volute froide et au moins une volute chaude. La volute froide permet à l'air d'admission de circuler du compresseur de la turbine vers la conduite d'entrée de l'échangeur, alors que la volute chaude permet à l'air d'admission de circuler de la conduite de sortie de l'échangeur vers la chambre de combustion de la turbine.

La turbine à gaz comporte également au moins une tuyère intermédiaire et une tuyère de sortie. Les gaz d'échappement sortent de la chambre de combustion par la tuyère intermédiaire et sont dirigés vers l'entrée de l'échangeur et la tuyère de sortie dirige les gaz d'échappement après qu'ils soient sortis par la sortie de l'échangeur vers l'extérieur de la turbine.

L'échangeur peut être installé dans la continuité de la turbine ou à côté de la turbine. Dans le premier cas, les gaz d'échappement sont dirigés directement vers l'échangeur après leur sortie de la chambre de combustion, mais le volume d'un tel ensemble turbine à gaz-échangeur est très important. Dans le second cas, les gaz d'échappement doivent être orientés vers l'échangeur positionné à côté de la turbine à gaz. Pour cela, la tuyère intermédiaire comprend un coude qui, par sa géométrie adaptée, permet d'assurer cette orientation des gaz d'échappement en minimisant les pertes de charge. L'ensemble turbine à gaz-échangeur a alors un volume plus compact que dans le premier cas, et peut, par exemple, être intégré dans un hélicoptère. De plus, afin de résister aux contraintes thermiques et mécaniques tout en assurant l'étanchéité nécessaire au bon fonctionnement de l'échangeur, des soufflets métalliques sont agencés à la jonction entre l'échangeur et les différents éléments de la turbine à gaz. En effet, l'échangeur se trouvant dans un environnement à haute température, l'ensemble des composants de l'échangeur et du moteur peuvent se dilater. Ces soufflets permettent de palier à ces dilatations. L'environnement de l'échangeur est également soumis à de nombreuses vibrations. Là encore, les soufflets permettent d'absorber ces vibrations.

Ces soufflets se trouvent notamment au niveau des tuyères de sortie de la chambre de combustion et de sortie de l'échangeur pour les gaz d'échappement, ainsi qu'au niveau des volutes froide et chaude reliées respectivement aux conduites d'entrée et de sortie de l'air d'admission. De préférence, ces soufflets sont en inconel ®.

Enfin, l'invention a aussi pour objet un aéronef à voilure tournante, tel un hélicoptère, comportant au moins une turbine à gaz munie d'un échangeur selon l'invention. L'invention concerne également un procédé permettant la fabrication et l'assemblage de l'échangeur thermique. L'invention et ses avantages apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, une plaque de l'échangeur, - la figure 2, un ensemble de plaques, - les figures 3 et 4, l'empilage de plaques selon deux variantes de l'invention, - les figures 5 à 8, deux modes de réalisation de l'échangeur, - la figure 9, les différentes étapes de l'électro-hydroformage, et - les figures 10 et 11, un turbomoteur muni de l'échangeur. Les éléments présents dans plusieurs figures distinctes sont affectés d'une seule et même référence. La figure 1 représente une plaque 10 comprenant une zone périphérique 19 plane et une zone interne non plane munie d'ondulations sinusoïdales en crêtes 13 et en creux 14 parallèles entre elles. Une cheminée d'entrée 11 et une cheminée de sortie 12, placées à deux coins opposés de la plaque 10, s'élèvent de la zone périphérique 19 jusqu'à un plan supérieur P2 comme indiqué sur la figure 3.

La zone périphérique 19 forme un plan inférieur P1, dans lequel se situent les creux 14. Les ondulations en crêtes 13 incluent des crêtes intermédiaires 16 et des crêtes supérieures 15. Les crêtes intermédiaires 16 se situent dans un plan intermédiaire P3, alors que les crêtes supérieures se situent dans le plan supérieur P2. Le plan intermédiaire P3 est positionné entre les plans inférieur P1 et supérieur P2. Chaque plaque 10 comporte par exemple trois crêtes supérieures 15 réparties sur la zone interne de la plaque 10.

Les crêtes inférieures 16 et les creux 14 ont une hauteur a, correspondant à la distance entre les plans inférieur P1 et intermédiaire P3. Les crêtes supérieures 15 ont une hauteur A, correspondant à la distance entre les plans inférieur P1 et supérieur P2. Ces ondulations ont la même période P.

Par exemple, les ondulations sinusoïdales des crêtes inférieures 16 et des creux 14 ont une hauteur a de 6 mm, alors que les ondulations sinusoïdales des crêtes supérieures 15 ont une hauteur A de 8 mm, la période P des ondulations sinusoïdales étant de 12 mm.

Un ensemble 30 de paire de plaques est formé, selon la figure 2, par l'assemblage de la plaque 10 avec une plaque 20. Les ondulations en crêtes 13 et en creux 14 de la première plaque 10 forment avec les ondulations en crêtes 23 et en creux 24 de la seconde plaque 20 un angle 0 compris entre 60° et 80°.

Sur la figure 3, on peut voir les points de contacts entre les plaques 10, 20 ainsi que l'empilage des ensembles 30. Les plaques 10, 20 sont en contact au niveau des creux 14, 24 ainsi que sur leurs zones périphériques 19, 29. Elles sont fixées par brasure au niveau de ces points de contact pour former les ensembles 30.

Ces ensembles 30 sont empilés les uns sur les autres pour former l'échangeur 50 selon l'invention. Ils sont en appui sur les crêtes supérieures 15, 25, ainsi que sur les cheminées d'entrée 11, 21 et de sortie 12, 22. Les ensembles de plaques 30 sont assemblés par brasure au niveau de ces points d'appui. Les cheminées d'entrée 11, 21 de chaque plaque 10, 20 sont ainsi reliées et forment une conduite d'entrée 53 de l'échangeur 50. De même, les cheminées de sortie 12, 22 forment une conduite de sortie 54.

L'espace entre deux plaques 10, 20 d'un ensemble 30, forme une première cavité. Les premières cavités sont reliées par les conduites d'entrée 54 et de sortie 55 et forment un premier volume 51. L'espace entre deux ensembles 30 adjacents forme une seconde cavité, la totalité des secondes cavités formant un second 15 volume 52. La seconde cavité, constituée notamment par l'appui des plaques 10, 20 sur les crêtes supérieures 15, 25, a une hauteur moyenne supérieure à la hauteur moyenne de la première cavité. En effet, le nombre des crêtes supérieures 15, 25 étant nettement 20 inférieur au nombre de crêtes intermédiaires 16, 26, l'essentiel du volume de la première cavité est constitué par l'espace entre les crêtes intermédiaires 16, 26. De fait, la hauteur moyenne de cette première cavité est proche d'une valeur correspondant à une hauteur 2a, alors que la hauteur moyenne de la seconde cavité est 25 proche d'une valeur correspondant à une hauteur 2A. Par suite, le second volume 52 est plus important que le premier volume 51. Un premier fluide peut alors circuler dans le premier volume 51, entre la conduite d'entrée 53 et la conduite de sortie 54, et un second fluide peut circuler dans le second volume 52, parallèlement et en sens inverse du premier fluide, entre une entrée 55 et une sortie 56 de l'échangeur thermique 50. Le premier fluide suit la forme des plaques 10, 20 et a un 5 écoulement turbulent favorable à un bon échange thermique. Le second fluide, qui circule dans un volume plus important, a un comportement moins turbulent que le premier fluide, En effet, le fluide peut circuler dans un espace libre entre deux crêtes supérieures 15, 25, ce qui permet de réduire ces pertes de charge. 10 Cependant, les crêtes inférieures 16, 26 ainsi que les creux 14, 24 permettent tout de même au second fluide d'être brassé, assurant ainsi un échange thermique avec le premier fluide. Un compromis entre échange thermique et pertes de charge est alors obtenu pour le second fluide. 15 De plus, les plaques 10, 20 ont une épaisseur suffisamment faible pour permettre un échange thermique entre le premier et le second fluide, indépendamment des capacités de conductivité thermique de ces plaques 10, 20. Ainsi, les premier et second fluides traversent l'échangeur 20 thermique 50, en assurant un échange thermique entre eux et en limitant les pertes de charge sur le second fluide. La figure 4 représente une variante de l'invention, dans laquelle les plaques 10, 20 comportent uniquement des crêtes intermédiaires 15, 25. Ces plaques 10, 20 sont alors plus faciles à 25 fabriquer et plus homogènes en termes d'épaisseur et de tenue mécanique que des plaques 10, 20 comportant des crêtes 13, 23 de différentes hauteurs. Une cale 17, 27 est ensuite fixée au sommet d'au moins une crête intermédiaire 14, 24 formant ainsi au moins une crête 2 98882 2 31 supérieure 16, 26. Chaque cale 17, 27 est fixée par brasure sur la crête intermédiaire 14, 24 correspondante. Avantageusement, il est possible de positionner un nombre variable de cales 17, 27 en fonction de l'application souhaitée de l'échangeur 50 ou bien de choisir une hauteur de cales 17, 27 adaptée à cette application. La figure 5 représente un échangeur thermique 50 constitué par l'empilage des ensembles 30 de paires de plaques 10, 20. Cet empilage est placé à l'intérieur d'un carter 60, dans lequel sont 10 agencées une entrée 55 et une sortie 56. Le second fluide entre dans l'échangeur 50 par l'entrée 55 et sort de l'échangeur 50 par la sortie 56. Ce second fluide circule entre les ensembles 30 adjacents, ainsi qu'entre le carter 60 et les ensembles 30. Le premier fluide entre dans l'échangeur 50 par la 15 conduite d'entrée 53 et sort de l'échangeur 50 par la conduite de sortie 54. Sur la figure 6 sont représentés des peignes 59 présents entre les ensembles 30 et les parois du carter 60. Ces peignes 59 permettent de créer des pertes de charge sur le second fluide et de 20 l'orienter vers les secondes cavités. Ces peignes 59 occupent la totalité de la hauteur entre les parois du carter 60 et les ensembles 30 afin de faire obstacle au second fluide. La forme particulière de ces peignes 59 permet également de garantir l'espacement entre les ensembles 30 en 25 périphérie de ces ensembles 30. De plus, ces peignes 60 assurent un renforcement de l'assemblage des ensembles de plaques, notamment pour résister aux différences de pression qu'il peut exister entre les premier et second fluides.

Sur les figures 7 et 8, un troisième volume 58 est constitué par l'espace entre les ensembles 30 et une paroi du carter 60, en périphérie de l'échangeur. Des peignes 59 sont présents entre une autre paroi du carter 60, à l'opposé du troisième volume, afin d'orienter le second fluide entre les ensembles de plaques 30. Sur la figure 7, le second fluide ne peut pas traverser ce troisième volume 58, qui est fermé par des volets 57, ces volets 57 orientant le second fluide vers l'intérieur de l'échangeur 50, c'est-à-dire le second volume 52.

Sur la figure 8, les volets 57 sont ouverts et le troisième volume 58 est accessible par le second fluide. En effet, ce troisième volume 58 est libre, c'est-à-dire sans obstacle. De fait, ce troisième volume 58 ne crée que très peu de pertes de charge sur le second fluide. La circulation dans ce troisième volume 58 est alors plus simple pour le second fluide que la circulation dans le second volume 52, qui génère des pertes de charge. Par suite, le second fluide passera naturellement et essentiellement par le troisième volume 58 au lieu de passer par le second volume 52. En conséquence, lorsque les volets 57 sont ouverts, le 20 second fluide traverse l'échangeur 50 en passant essentiellement par le troisième volume 58 où il ne subit que très peu de pertes de charge. Cette fonction est utile lors de l'application d'un tel échangeur 50 à une turbine à gaz 100 telle que représentée sur la 25 figure 8 et 9. En effet, dans ce cas, le premier fluide est constitué par l'air d'admission d'une chambre de combustion 90 de la turbine à gaz 100 et le second fluide par les gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion 90 par une tuyère intermédiaire 70.

Lorsque les gaz d'échappement traversent le second volume 56 de l'échangeur 50, ils réchauffent l'air d'admission qui traverse également l'échangeur 50 à travers le premier volume 51. Ceci permet de réduire la consommation de carburant de la turbine à gaz 100, l'air d'admission ayant été réchauffé avant son injection dans la chambre de combustion 90. Par contre, les gaz d'échappement subissent des pertes de charge en traversant le second volume 52, avant de sortir de l'échangeur par une tuyère de sortie 72. Ces pertes de charge affectent directement les performances de la turbine à gaz 100 dont la puissance est diminuée. Pour éviter cette diminution de puissance, il faut réduire ou supprimer les pertes de charge des gaz d'échappement. Pour cela, les gaz d'échappement traversent le troisième volume 58 de l'échangeur 50. Dans ce cas, l'air d'admission n'est pas réchauffé, la consommation de carburant n'est alors pas réduite. Par contre, les gaz d'échappement subissent très peu de pertes de charge, la turbine à gaz 100 fonctionne alors à puissance maximum. Le basculement entre les deux modes de fonctionnement, c'est-à-dire consommation réduite et puissance réduite à consommation normale et pleine puissance, s'obtient en pilotant les volets 57 de la position fermée à la position ouverte par l'intermédiaire de moyens de déplacement. Ces moyens de déplacement sont intégrés à l'échangeur ou bien à la turbine à gaz.

Sur la figure 11, une vue de dessus de la turbine à gaz 100 est représentée. Une volute froide 74 permet à l'air d'admission de circuler d'un compresseur de la turbine à gaz 100 vers la conduite d'entrée 53. Une volute chaude 73 permet à l'air d'admission de circuler de la conduite de sortie 54 vers la chambre de combustion 90 de la turbine à gaz 100.

On peut également voir sur la figure 10 que l'échangeur 50 est positionné entre les tuyères 70, 72. Afin de résister aux contraintes thermiques et mécaniques, notamment en absorbant les dilatations et les vibrations, tout en assurant l'étanchéité nécessaire au bon fonctionnement de l'échangeur 50, des soufflets métalliques 59 sont agencés à la jonction entre l'échangeur 50 et les différents éléments de la turbine à gaz 100. Ces soufflets 59 se trouvent notamment au niveau de la tuyère intermédiaire 70 et de la tuyère de sortie 72. De tels soufflets peuvent également être utilisés au niveau des conduites d'entrée 53 et de sortie 54 d'air d'admission en liaison avec les volutes froide 74 et chaude 73. Sur la figure 9, il est représenté un mode de mise en forme des plaques 10, 20 par électro-hydroformage, qui permet de déformer plastiquement des pièces de faible épaisseur.

Une matrice 101, correspondant à la forme de la plaque 10 finie, est insérée dans un moule 110. La plaque 10 brute est positionnée sur cette matrice 101. Une fois le moule 110 fermé, un fluide 120 sous pression est injecté sur la face de la plaque 10 opposée à la matrice 101, dans un champ électrique puissant.

Sous l'effet du fluide 120 sous pression, la plaque 10 se déforme progressivement pour prendre la forme de la matrice 101. Afin d'éviter l'apparition de criques ou de déchirures de la plaque 10 lors de cette mise en forme ainsi que l'apparition de contraintes internes, cette opération de mise en forme par électro25 hydroformage est décomposée en plusieurs étapes. Par exemple, la mise en forme de la plaque 10 est réalisée par quatre opérations équivalentes d'électro-hydroformage (quatre passes précédemment présentées), un recuit étant réalisé entre chacune de ces étapes. L'électro-hydroformage est réalisé par exemple sous une pression de 400 bars, le recuit étant obtenu dans un four à 800°C suivi par un refroidissement progressif. Naturellement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en oeuvre. Bien que plusieurs modes de réalisation aient été décrits, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims (21)

1. REVENDICATIONS1. Echangeur thermique à plaques (50) comportant, - au moins deux ensembles (30) de paire de plaques (10,20) en métal, chaque plaque (10,20) comportant une zone périphérique (19,29) plane formant un plan inférieur (P1), une zone interne non plane comportant des crêtes (13,23) et des creux (14,24) dirigés selon des directions parallèles, lesdits creux (14,24) se situant dans ledit plan inférieur (P1), une cheminée d'entrée (11,21) et une cheminée de sortie (12,22) positionnées à deux coins opposés desdites plaques (10,20) et s'élevant de ladite zone périphérique (19,29) jusqu'à un plan supérieur (P2) parallèle audit plan inférieur (P1), chaque ensemble (30) étant fixé par des points de brasure d'une part au niveau desdites zones périphériques (19,29) et d'autre part au niveau d'au moins un point de contact desdits creux (14,24), une conduite d'entrée (53) étant formée par lesdites cheminées d'entrée (11,21) de chaque plaque (10,20) et une conduite de sortie (54) étant formée par lesdites cheminées de sortie (12,22) de chaque plaque (10,20), une première cavité constituée par l'espace entre deux plaques (10,20) d'un ensemble (30), lesdites premières cavités formant un premier volume (51), dans lequel peut circuler un premier fluide entre ladite conduite d'entrée (53) et ladite conduite de sortie (54), et, - une seconde cavité constituée par l'espace entre deux ensembles (30) adjacents, lesdites secondes cavités formant un second volume (52), dans lequel peutcirculer un second fluide entre une entrée (55) et une sortie (56) dudit échangeur (50), caractérisé en ce que lesdites crêtes (13,23) de chaque plaque (10,20) incluent au moins une crête intermédiaire (16,26) se situant dans un plan intermédiaire (P3), parallèle auxdits plans (P1,P2) et positionné entre lesdits plans (P1,P2), et au moins une crête supérieure (15,25) se situant dans le plan supérieur (P2), lesdits ensembles (30) étant empilés de telle sorte que deux ensembles (30) adjacents sont en appui dans ledit plan supérieur (P2), au 10 niveau desdites crêtes supérieures (15,25), desdites cheminées d'entrée (11,21) et desdites cheminées de sortie (12,22), les directions desdites crêtes (13,23) et desdits creux (14,24) de deux plaques (10,20) adjacentes formant un angle aigu O.
2. 2. Echangeur thermique (50) selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que lesdits creux (14,24) et lesdites crêtes (13,23) sont des ondulations sinusoïdales.
3. 3. Echangeur thermique (50) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits creux (14,24) et lesdites crêtes intermédiaires (16,26) étant des ondulations sinusoïdales, chaque 20 crête supérieure (15,25) est constituée par une crête intermédiaire (16,26) sur laquelle est fixée une cale (17,27).
4. 4. Echangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque plaque (10,20) comporte trois crêtes 25 supérieures (15,25).
5. 5. Echangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 2 98882 2 38 caractérisé en ce que ledit échangeur thermique (50) comporte un carter (60) muni de parois, entre lesquelles sont logés lesdits ensembles (30), et dans lequel sont agencées ladite entrée (55) et ladite sortie (56), une troisième cavité constituée par l'espace 5 située entre lesdits ensembles (30) et lesdites parois dudit carter (60) s'ajoutant audites secondes cavités pour former ledit second volume (52).
6. 6. Echangeur thermique (50) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique (50) comporte une 10 pluralité de peignes (59) située entre lesdits ensembles de plaques (30) et au moins une paroi dudit carter (60), dans lequel ledit second fluide peut circuler afin d'orienter le second fluide entre lesdits ensembles de plaques (30).
7. 7. Echangeur thermique (50) selon l'une quelconque des 15 revendications 5 à 6, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique (50) comporte un troisième volume (58) situé entre lesdits ensembles de plaques (30) et au moins une paroi dudit carter (60), dans lequel ledit second fluide peut circuler. 20
8. 8. Echangeur thermique (50) selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique (50) comporte des volets (57) permettant, dans une première position ouverte, le passage dudit second fluide par ledit troisième volume (58) et ne permettant pas, dans une seconde position fermée, le passage 25 dudit second fluide par ledit troisième volume (58).
9. 9. Echangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que ledit plan inférieur (P1) est distant dudit plan intermédiaire (P3) de 6mm et dudit plan supérieur (P2) de 8mm.
10. 10. Echangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdites directions desdits creux (14,24) et desdites crêtes (13,23,) de deux plaques (10,20) adjacentes forment un angle ()compris entre 60 et 80°.
11. 11. Echangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lesdites plaques (10,20) sont en inconel®.
12. 12. Echangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'épaisseur desdites plaques (10,20) est de 0,4 mm.
13. 13. Procédé de fabrication d'un échangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, ledit échangeur (50) comportant au moins deux ensembles (30) de paires de plaques (10,20), au cours duquel, on fabrique une pluralité de plaques (10,20) en métal par électro-hydroformage, chaque plaque (10,20) comportant une zone périphérique (19,29) plane formant un plan inférieur (P1), une zone interne non plane comportant des crêtes (13,23) et des creux (14,24) dirigés selon des directions parallèles, lesdits creux (14,24) se situant dans ledit plan inférieur (P1) et lesdites crêtes (13,23) incluant au moins une crêtesupérieure (15,25) se situant dans un plan supérieur (P2) parallèle audit plan inférieur (P1) et au moins une crête intermédiaire (16,26) se situant dans un plan intermédiaire (P3), parallèle auxdits plans (P1,P2) et positionné entre lesdits plans (P1,P2), une cheminée d'entrée (11,21) et une cheminée de sortie (12,22) positionnées à deux coins opposés desdites plaques (10,20) et s'élevant de ladite zone périphérique (19,29) jusqu'audit plan supérieur (P2), on assemble lesdites plaques (10,20) par paire par brasage d'une part au niveau desdites zones périphériques (19,29) et d'autre part au niveau d'au moins un point de contact desdits creux (14,24) pour former lesdits ensembles (30), lesdites directions desdites crêtes (13,23) et desdits creux (14,24) des deux plaques (10,20) formant un angle aigu 8, une première cavité étant constituée par l'espace entre lesdites deux plaques (10,20), et, - on assemble lesdits ensembles (30) par brasage desdites plaques (10,20) au niveau desdites cheminées d'entrée (11,21) et desdites cheminées de sortie (12,22) pour former ledit échangeur (50), lesdites directions desdites crêtes (13,23) et desdits creux (14,24) de deux plaques (10,20) adjacentes formant ledit angle aigu A, une seconde cavité étant constituée par l'espace entre deux ensembles (30) adjacents, une conduite d'entrée (53) étant formée par lesdites cheminées d'entrée (11,21) de chaque plaque (10,20) et une conduite de sortie (54) étant formée par lesdites cheminées de sortie (12,22) de chaque plaque (10,20), lesdites premières cavités formant un premier volume(51), dans lequel peut circuler un premier fluide entre ladite conduite d'entrée (53) et ladite conduite de sortie (54) et lesdites secondes cavités formant un second volume (52), dans lequel peut circuler un second fluide entre une entrée (55) et une sortie (56) dudit échangeur (50).
14. 14. Procédé de fabrication d'un échangeur thermique (50) selon la revendication 13, caractérisé en ce que la phase d'électro-hydroformage comporte 10 quatre passes avec une opération de recuit après chaque passe d'électro-hydroformage.
15. 15. Procédé de fabrication d'un échangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 13 à 14, caractérisé en ce que l'on réalise chaque crête supérieure (15,25) 15 en fixant une cale (17,27) sur une crête intermédiaire (16,26).
16. 16. Procédé de fabrication d'un échangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que lesdites plaques (10,20) sont en inconel® et l'assemblage par brasage desdites plaques (10,20) et l'assemblage 20 par brasage desdits ensembles (30) sont réalisés avec de l'inconel® comme métal d'apport.
17. 17. Procédé de fabrication d'un échangeur thermique (50) selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que les étapes de brasures sont : 25 - le brasage desdites plaques (10,20) par paire à une température d'environ 1100°C, pour obtenir lesdits ensembles (30),- le brasage desdits ensembles (30) à une température d'environ 950°C, le brasage des extrémités de ladite conduite d'entrée avec deux parois d'un carter contenant lesdits ensembles (30) à une température d'environ 850°C avec de 'Inconel® comme métal d'apport, lesdites parois étant en Inconel®, et, le brasage des extrémités de ladite conduite de sortie avec deux parois dudit carter à une température d'environ 850°C avec de 'Inconel® comme métal d'apport.
18. 18. Turbine à gaz (100), caractérisé en ce qu'elle comporte un échangeur thermique à plaques (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
19. 19. Turbine à gaz (100) selon la revendication 18, caractérisé en ce que, ledit premier fluide étant l'air comprimé alimentant une chambre de combustion (90) de ladite turbine (100), au moins une volute froide (74) permet audit air d'admission de circuler d'un compresseur de ladite turbine (100) vers ladite conduite d'entrée (53) et qu'au moins une volute chaude (73) permet audit air d'admission de circuler de ladite conduite de sortie (54) vers ladite chambre de combustion (90).
20. 20. Turbine à gaz (100) selon l'une quelconque des revendications 18 à 19, caractérisé en ce que ledit second fluide étant des gaz d'échappement sortant de ladite chambre de combustion (90), au moins une tuyère intermédiaire (70) permet de diriger lesdits gaz d'échappement de ladite chambre de combustion (90) vers ladite '. r .7 1., 2988822 43 entrée (55) dudit échangeur (50) et qu'au moins une tuyère de sortie (72) permet de diriger lesdits gaz d'échappement après leur sortie par ladite sortie (56) dudit échangeur (50).
21. 21. Aéronef à voilure tournante, 5 caractérisé en ce que ledit aéronef comporte au moins une turbine à gaz (100) selon l'une quelconque des revendications 18 à 20.