DE102010025998A1

DE102010025998A1 - Profilwärmetauscher und Gasturbine mit Profilwärmetauscher

Info

Publication number: DE102010025998A1
Application number: DE201010025998
Authority: DE
Inventors: Dr. Bayer Erwin
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-07-03
Filing date: 2010-07-03
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Ein Profilwärmetauscher, insbesondere für eine Gasturbine, weist eine Zuführpassage, eine Abführpassage und eine Mehrzahl von mit dieser Zu- und Abführpassage kommunizierenden Hohlprofilen von vorzugsweise langgestrecktem, insbesondere ovalem, elliptischem oder lanzettförmigem Querschnitt auf. Ein als Zu- und/oder Abführpassage dienendes Sammelrohr weist wenigstens einen in Längsrichtung sich erstreckenden, wenigstens im Wesentlichen ebenen Wandabschnitt auf, von welchem Hohlprofile abragen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Profilwärmetauscher, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Zuführpassage für Druckluft, einer Abführpassage und einer Mehrzahl von mit diesen Zu- und Abführpassagen kommunizierenden Hohlprofilen, sowie eine Gasturbine mit einem solchen Profilwärmetauscher.
Aus der GB-PS 1 444 847 ist ein Wärmetauscher für Gase stark unterschiedlicher Temperatur mit einem zentralen Sammelrohr bekannt, das durch eine sich in Längsrichtung erstreckende Trennwand in eine Zuführpassage und eine Abführpassage geteilt ist, wobei eine Vielzahl von U-förmig gebogenen, matrixartig angeordneten Röhrchen so in einer Wand des Sammelrohrs befestigt sind, dass sie sich von der Zuführpassage zu der Abführpassage erstrecken. Dabei sind die Enden der Röhrchen in einer Matrix parallel verlaufender Löcher in der Wandung des Sammelrohrs angeordnet und ragen auf der Innenseite des Sammelrohres heraus. Der Wärmetauscher wird im Zusammenhang mit einer Fahrzeug-Gasturbine verwendet und arbeitet im Kreuz-Gegenstrom, um Verbrennungsluft der Gasturbine vorzuwärmen. Zu erwärmende Druckluft strömt aus der Zuführpassage in die Hohlprofile und aus diesen in die Abführpassage, um von dort einer Brennkammer der Gasturbine zugeführt zu werden. Die Hohlprofile werden vom heißen Abgasstrom der Gasturbine umströmt und die in den Hohlprofilen strömende Druckluft wird erwärmt.
Aus der DE 31 46 089 C2 ist ein Wärmetauscher der vorgenannten Art bekannt, der sich in drei Punkten von der vorgenannten Druckschrift unterscheidet. Zusätzlich zu einer Anordnung mit geteiltem Zentralrohr wird auch eine Anordnung mit zwei getrennten, parallel angeordneten Sammelrohren vorgeschlagen, die jeweils als Zuführpassage bzw. als Abführpassage dienen. Die Hohlprofile erstrecken sich ferner nicht nur einer Seite, sondern zu beiden Seiten des Zentralrohrs oder der Anordnung der beiden Sammelrohre. Die Hohlprofile sind schließlich mit einem lanzettartigen Querschnitt ausgebildet, wobei sich die längere Achse der Hohlprofile in Richtung des Abgasstroms erstreckt.
In U. Knott et al., Fügetechnische Herausforderungen bei der Herstellung eines Lanzetten-Wärmetauschers, DVS 237, Seiten 107–110, wird ein Verfahren zur Fertigung eines derartigen Wärmetauschers mit zwei Sammelrohren und lanzettförmigen U-Hohlprofilen beschrieben. Demnach werden die Sammelrohre nach dem Drehen auf Endmaß zunächst mittels Erodieren belocht und dann in Längsrichtung halbiert. Nach Herstellung und Verlöten der Lanzett-Profilrohre in den Sammelrohrhälften und Entfernung der Überstände auf der Innenseite werden die beiden Hälften wieder verschweißt. Anschließend wird der Wärmetauscher fertiggestellt und geprüft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Profilwärmetauscher zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Profilwärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 9 gelöst. In Anspruch 10 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Profilwärmetauschers angegeben. Anspruch 15 stellt eine Gasturbine mit einem erfindungsgemäßen Profilwärmetauscher unter Schutz.
Der Querschnitt eines beispielhaften Sammelrohres eines Profilwärmetauschers nach dem Stand der Technik ist in 7 gezeigt. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Anordnung der Löcher zur Aufnahme der Hohlprofile in einer wenigstens im Wesentlichen ebenen Wandung auch eine Vereinfachung der Fertigung mit sich bringen kann, da die Fügelängen und Einbauwinkel der Hohlprofile der ebenen Wandung vergleichmäßigt werden können. Wenn nämlich, wie in 7 angedeutet, das Sammelrohr 110 einen kreisringförmigen Querschnitt hat, finden die parallel sich erstreckenden Hohlprofile 132 des Hohlprofilpakets 130 nur in einem eng begrenzten, mittleren Abschnitt einen nahezu flächennormalen Durchtrittswinkel auf. Zu den Rändern hin wird der Durchtrittswinkel immer spitzer. Entsprechend ist die Fügelänge 1, mit welcher die Hohlprofile 132 in der Wandung des Sammelrohres 110 sitzen, in der Mitte am kleinsten und an den Rändern am größten. Zudem wird die Mantelfläche, mit welcher die Wandung des Sammelrohres 110 jedes Hohlprofil 132 umfasst, zum Rand hin immer schräger und unsymmetrischer. Wenn dagegen die Hohlprofile in einer ebenen Wand befestigt sind und senkrecht von dieser abragen, sind die Fügebedingungen für jedes Hohlprofil vorteilhafterweise wenigstens im Wesentlichen gleich, unabhängig davon, an welcher Stelle im Paket das Hohlprofil angeordnet ist. Genauer gesagt nehmen die Fügelängen immer den gleichen, insbesondere den minimal erforderlichen Wert an. Der Winkel, mit welchem die Löcher zur Aufnahme der Hohlprofile hergestellt werden müssen, kann somit immer 90° betragen.
Erfindungsgemäß ist ein Profilwärmetauscher, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Zuführpassage, einer Abführpassage und einer Mehrzahl von mit dieser Zu- und Abführpassage kommunizierenden Hohlprofilen von vorzugsweise langgestrecktem, insbesondere ovalem, elliptischem oder lanzettförmigem Querschnitt, nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung so ausgestaltet, dass ein als Zu- und/oder Abführpassage dienendes Sammelrohr wenigstens einen in Längsrichtung sich erstreckenden, wenigstens im Wesentlichen ebenen Wandabschnitt aufweist, von welchem die Hohlprofile abragen.
Vorzugsweise sind die Hohlprofile so in dem ebenen Wandabschnitt befestigt, dass sie mit der Innenseite des ebenen Wandabschnitts bündig enden. Auf diese Weise können Verwirbelungen und Strömungshemmnisse vermindert werden.
Auf der Innenseite des ebenen Wandabschnitts können Rippen ausgebildet sein, wobei sich die Rippen vorzugsweise entlang einem der länger gestreckten Randabschnitte der Löcher erstrecken, wobei die Rippen besonders bevorzugt schaufelartig in jeweils gleicher Richtung, insbesondere zu einem offenen Ende des Sammelrohrs hin, gebogen sind. Die Rippen können einerseits nach Art eines Doppel-T-Trägers den ebenen Wandabschnitt gegen Verwölbung durch den Innendruck versteifen. Andererseits können die Rippen bei geeigneter Gestaltung Strömungsumlenkelemente ausbilden, welche die Einströmung und Ausströmung an den Übergangsstellen des Sammelrohrs und eines Hohlprofils erleichtern und Verwirbelungen herabsetzen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Enden der Hohlprofile abgeschrägt, und zwar vorzugsweise auf der Seite eines der länger gestreckten Querschnittsabschnitte, und ragen die abgeschrägten Enden über die Innenseite des ebenen Wandabschnitts hinaus in das Sammelrohr hinein, und zwar so, dass die konkave Seite des abgeschrägten Endes zu einem offenen Ende des Sammelrohres hin weist, und sind die abgeschrägten Enden besonders bevorzugt in einer anderen Krümmungsrichtung als der Krümmungsrichtung des Hohlprofils zu dem offenen Ende des Sammelrohres hin gebogen. Auch so können auf fertigungstechnisch einfache Weise Strömungsumlenkelemente ausgebildet werden, welche die Einströmung und Ausströmung an den Übergangsstellen des Sammelrohrs und eines Hohlprofils erleichtern und Verwirbelungen herabsetzen können. Einer Verwölbung des ebenen Wandabschnitts kann in diesem Fall auch durch eine größere Wandstärke an dieser Stelle entgegengewirkt werden.
Die Abschrägung der Enden der Hohlprofile bildet einen eigenständigen Erfindungsaspekt, der vorzugsweise mit dem vorstehend erläuterten Aspekt des wenigstens im Wesentlichen ebenen Wandabschnitts kombiniert sein kann.
Besonders bevorzugt ist das Sammelrohr aus mehreren einzelnen, zu einem geschlossenen, hohlen Gesamtprofil gefügten Profilabschnitten ausgebildet, wobei wenigstens einer der Profilabschnitte die Form einer ebenen Platte aufweist. Ein Plattenbauteil ist wesentlich einfacher herzustellen und mit den Hohlprofilen zu bestücken und zu verbinden als bei einem Rohrsegment. Die Bestückung des Plattenbauteils kann vor dem Fügen der Profilabschnitte zu dem Sammelrohr geschehen, was auch die Handhabung erleichtert.
Vorzugsweise umfassen die Profilabschnitte wenigstens ein Schalenbauteil mit einem kreisringsegmentförmigen Querschnitt. Wo keine Hohlprofile eingesetzt werden, ist ein kreisringförmiger Querschnitt vorteilhaft, da dort die Aufnahme des Innendrucks optimal verteilt erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sammelrohr durch ein in Längsrichtung geschnittenes Rohrstück von ursprünglich vorzugsweise kreisringförmigem Querschnitt und ein oder mehrere ebene Plattenbauteil gebildet, die einstückig zu einem geschlossenen Querschnitt miteinander verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Sammelrohr ein Rohr mit rechteckigem Querschnitt. Dabei können die Hohlprofile von einer Seite oder von zwei gegenüberliegenden Seiten des Sammelrohres abragen.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Sammelrohr zwei ebene Wandabschnitte und zwei gebogene Wandabschnitte von vorzugsweise kreisringsegmentförmigem Querschnitt auf, die einstückig zu einem geschlossenen Querschnitt miteinander verbunden sind. Bei dieser Konstruktion können auch beidseitige Anordnungen von Hohlprofilpaketen verwirklicht werden. Dabei fangen die kreisringsegmentförmigen Abschnitte den Innendruck im Sammelrohr optimal auf, während die ebenen Abschnitte durch Rippen (wie vorstehend vorgeschlagen) verstärkt sein können. Wenn die Kreisringsegmente unterschiedliche Bogenlängen aufweisen, können auch beliebige Winkelanordnungen der Hohlprofilpakete zueinander verwirklicht werden.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Profilwärmetauschers, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Zufuhrpassage, einer Abführpassage und einer Mehrzahl von mit dieser Zu und Abführpassage kommunizierenden Hohlprofilen die Schritte auf: Vorbereiten einer Anzahl von U-förmig gebogenen Hohlprofilen mit vorzugsweise langgestrecktem, insbesondere ovalem, elliptischem oder lanzettförmigem Querschnitt; Vorbereiten wenigstens eines Plattenbauteils mit einer Anordnung von Löchern, deren Größe und Form dem Querschnitt der Hohlprofile angepasst ist, beispielsweise durch ein Erosionsverfahren; Befestigen der Hohlprofile in den Löchern des Plattenbauteils oder der Plattenbauteile vorzugsweise durch ein thermisches Fügeverfahren, insbesondere unter Einsatz eines Lötverfahrens; Verbinden des Plattenbauteils oder der Plattenbauteile mit wenigstens einem weiteren Profilelement vorzugsweise durch ein thermisches Fügeverfahren, insbesondere unter Einsatz eines Laserstrahl-Schweißverfahrens, zu einem als Zu- und/oder Abführpassage dienenden Sammelrohr des Wärmetauschers.
Vorzugsweise wird das wenigstens eine Profilelement durch Aufschneiden eines Rohrstücks von wenigstens im Wesentlichen kreisringförmigem Querschnitt in seiner Längsrichtung hergestellt.
Vorzugsweise weist der Schritt des Herstellens des Plattenbauteils den Schritt auf: Ausbilden von Rippen auf der jeweils gleichen Seite der Löcher, wobei sich die Rippen vorzugsweise entlang einer der längeren Seiten der Löcher erstrecken, wobei die Rippen besonders bevorzugt in jeweils gleicher Richtung, insbesondere in Längsrichtung des Plattenbauteils, gebogen sind. Dabei wird das Plattenbauteil besonders bevorzugt durch ein RM-Verfahren generativ aufgebaut.
Zusätzlich oder alternativ weist der Schritt des Herstellens der Hohlprofile einen Schritt eines Abschrägens der Enden der Hohlprofile, und zwar vorzugsweise auf einer der längeren Seiten, auf, werden in dem Schritt des Befestigens der Hohlprofile diese so in den Löchern des Plattenbauteils angeordnet, dass die abgeschrägten Enden über die Oberfläche des Plattenbauteils hinausragen, und wird das Plattenbauteil in dem Schritt des Verbindens so angeordnet, dass die konkaven Seite des abgeschrägten Endes zu einem offenen Ende des Sammelrohres hin weisen, wobei ferner die abgeschrägten Enden der Hohlprofile vor oder nach dem Befestigen besonders bevorzugt in einer anderen Krümmungsrichtung als der Krümmungsrichtung des Hohlprofils gebogen werden.
Das Verfahren kann einfach auf andere Formen des Sammelrohrs angepasst werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Gasturbine mit einem Wärmetauscher nach einer der vorgeschlagenen Formen.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1 eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile eines Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht eines Wärmetauschersammelrohrs nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine ausschnittweise vergrößerte Innensicht einer Einlötplatte mit Lanzetten im Bereich einer Endplatte, betrachtet in Richtung eines Pfeils III in 2;
4 eine Längsschnittansicht des Ausschnitts von 3, betrachtet in Richtung eines Pfeils IV in 1;
5 eine Längsschnittansicht entsprechend 4 mit einer Anordnung nach einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels;
6 eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile eines Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 eine Ansicht entsprechend 2 eines Wärmetauschersammelrohrs nach dem Stand der Technik.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile eines Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschers 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Wärmetauscher 1 ist Teil einer Gasturbinenanordnung, wobei die sonstigen Teile der Gasturbinenanlage wie etwa eine Verdichterstufe, eine Brennkammer, eine Turbinenstufe und Gehäuse- und Gasführungsteile nicht näher dargestellt sind.
Der Wärmetauscher 1 weist ein Zuführrohr 10 als Zuführpassage, ein Abführrohr 20 als Abführpassage, und einen Lanzettblock 30 auf, der aus einer Vielzahl von einzelnen Lanzetten 32 besteht. Die Lanzetten 32 sind U-förmig gebogene Röhrchen mit lanzettförmigen, oder allgemein langgestrecktem oder ovalem, Querschnitt, die das Zuführrohr 10 mit dem Abführrohr 20 verbinden. In der Figur sind nur die den Lanzettblock 30 in seiner geometrischen Form begrenzenden Lanzetten 32 vollständig und wenige weitere abgeschnitten dargestellt; in der praktischen Ausführungsform sind eine Vielzahl, bis zu mehrere tausend, solcher Lanzetten 32 dicht an dicht und parallel zueinander in dem Lanzettblock 30 angeordnet. Die Lanzetten 32 sind Hohlprofile im Sinne der Erfindung.
Das Zuführrohr 10 und das Abführrohr 20 werden auch als Sammelrohre 10, 20 bezeichnet. Die Längsachsen des Zuführrohres 10 und des Abführrohres 20 verlaufen parallel; die Lanzetten 32 verlaufen – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – jeweils in einer Ebene, die senkrecht zu der durch die Achsen der Sammelrohre 10, 20 definierten Ebene steht.
Das Zuführrohr 10 weist einen Kreisringsegment-Abschnitt 11 und eine Einlötplatte 12 auf, die später im Zusammenhang mit 2 genauer beschrieben wird. Die Einlötplatte 12 trägt die einen Enden der Lanzetten 32. Das Zuführrohr 10 weist ferner eine Endplatte 15 auf, welche das Zuführrohr 10 an seinem in der Figur ”hinteren” Ende verschließt.
Das Abführrohr 20 ist wie das Zuführrohr 10 aufgebaut. D. h., das Abführrohr 20 weist einen Kreisringsegment-Abschnitt 21 und eine Einlötplatte 22 auf, wobei die Einlötplatte 12 die anderen Enden der Lanzetten 32 trägt. Das Abführrohr 20 weist ferner eine Endplatte (in der Figur nicht sichtbar) auf, welche das Abführrohr 20 an seinem in der Figur ”hinteren” Ende verschließt.
(Es versteht sich, dass auch das in der Figur ”vordere” Ende des Zuführrohrs 10 und des Abführrohrs 20 durch Anschlussteile verschlossen sind. ”Offen” bedeutet in diesem Fall, dass das Ende mit Druckluftzu- und Ableitungen verbunden ist.)
An seinem offenen (dem in der Figur ”vorderen”) Ende wird dem Zuführrohr 10 kalte Druckluft K zugeführt. Die kalte Druckluft K entstammt einer Verdichterstufe einer Gasturbine, die hier nicht näher dargestellt ist. Die Druckluft tritt in die Lanzetten 32 des Lanzettblocks 30 ein, durchströmt diese als Lanzettstrom L und verlässt die Lanzetten 32 in das Abführrohr 20, wo sie gesammelt wird, um das Abführrohr 20 schließlich über sein offenes (in der Figur ”vorderes”) Ende als Warmluftstrom W zu verlassen. Die Warmluft W wird einer Brennkammer der Gasturbine (nicht näher dargestellt) zugeführt. Das heiße Abgas der Gasturbine wird als Heißgasstrom H auf den Lanzettblock 30 geführt und umströmt die Lanzetten 32. Hierdurch wird der Lanzettstrom L durch den Heißgasstrom H erwärmt, der sich wiederum abkühlt und als Abgasstrom A die Anordnung verlässt. Es versteht sich, dass die Bezeichnungen ”heiß”, ”warm” und ”kalt” nur als relative Angaben zu verstehen sind und keine absoluten Temperaturwerte implizieren.
Die Sammelrohre 10, 20 sind aus einem in Längsrichtung geschnittenen und mit einem Plattenbauteil wieder verschlossenen Rohrstück hergestellt. Vor der Verbindung des aufgeschnittenen Rohrstücks mit dem Plattenbauteil wird dieses mit den Lanzetten 32 bestückt.
2 zeigt das Zuführrohr (Sammelrohr) 10 eines Wärmetauschers im Querschnitt. Das Sammelrohr 10 weist, wie bereits erwähnt, einen Kreisringsegment-Abschnitt 11 und eine Einlötplatte 12 auf. Der Kreisringsegment-Abschnitt 11 weist eine Querschnittsform auf, die einem Segment eines Kreisrings mit einem Innendurchmesser d entspricht, wobei die Bogenlänge des Kreisringsegments größer als 180° beträgt. Der Kreisringsegment-Abschnitt 10 wird durch Abschneiden eines Rundrohres hergestellt, wobei die Schnittflächen in einer Ebene liegen. Die Einlötplatte 12 weist eine Breite w auf, die der Breite zwischen den Außenkanten der Schnittflächen entspricht. Der Kreisringsegment-Abschnitt 11 und die Einlötplatte 12 sind an einer Fügenaht 13 untrennbar (einstückig) miteinander verbunden und bilden zusammen ein hohles, geschlossenes Querschnittsprofil. Die Fügenaht 13 wird beispielsweise durch Schweißverfahren wie etwa Laserstrahlschweißen hergestellt.
In der Einlötplatte 12 sind die Enden der Lanzetten 32 befestigt, wie nachstehend im Zusammenhang mit 3 und 4 beschrieben wird.
3 ist eine vergrößerte Innenansicht einer in 2 durch eine geschweifte Klammer bezeichnete Einzelheit der Einlötplatte 12 im Bereich der Endplatte 15; die Blickrichtung ist durch einen Pfeil ”III” in 2 verdeutlicht. 4 ist eine Längsschnittansicht der Einzelheit von 3. Der Schnittverlauf und die Blickrichtung sind in 2 durch eine strichpunktierte Linie und einen Pfeil ”III” verdeutlicht.
Gemäß der Darstellung in 4 weist die Einlötplatte 12 eine Vielzahl von Löchern 12a auf, die in der Art einer Matrix angeordnet sind. Die Löcher 12a sind langgestreckt-oval bzw. elliptisch oder, mit anderen Worten, lanzettförmig. In 3 ist eine lange Achse eines Lochs 12a mit u und eine kurze Achse mit v bezeichnet. Die Löcher 12a sind so angeordnet, dass ihre langen und kurzen Achsen u, v jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
In den Löchern 12a sind die Lanzetten 32 eingesetzt und befestigt. Die Befestigung der Lanzetten 32 erfolgt beispielsweise durch Lötverfahren wie etwa Vakuum-Löten. Die Lanzetten 32 sind mit ihren Enden idealerweise bündig, in der Praxis mit einem geringfügigen Überstand auf der Innenseite der Einlötplatte 12 angeordnet.
Die Einlötplatte 12 weist auf ihrer Innenseite eine Reihe von Rippen 12b auf, die jeweils auf einer langen Seite jedes Lochs 12a angeordnet sind und dem Krümmungsverlauf im Wesentlichen über die gesamte Breite (Richtung der langen Achse u) des Lochs 12a folgen. Die Rippen 12b verjüngen sich von der Basis aus zu ihrem freien Ende hin. Das freie Ende der Rippen 12b ist in Richtung des offenen Endes des Sammelrohres 10 hin gekrümmt. Die Höhe der Rippen 12b nimmt von dem offenen Ende bis zu der Endplatte 15 hin stufenweise zu. Die Einlötplatte 12 wird beispielsweise durch ein RM-Verfahren generativ aufgebaut; dabei können die Rippen 12b ohne größeren Mehraufwand integriert hergestellt werden.
Die Rippen 12b erfüllen im Wesentlichen zwei Funktionen. Erstens bilden sie eine Versteifung der Einlötplatte 12 gegen den Innendruck der Luft im Sammelrohr 10. Zweitens bilden sie schaufelartige Strömungsumlenkelemente, die den Kaltluftstrom K in die Lanzetten 32 umlenken und so zu einem glatteren Strömungsverlauf beitragen.
Das vorstehend für das Sammelrohr (Zuführrohr) 10 Gesagte gilt sinngemäß für das Abführrohr 20.
5 zeigt eine Abwandlung des vorstehenden Ausführungsbeispiels anhand einer Darstellung entsprechend 4. In dieser Abwandlung sind auf der Innenseite der Einlötplatte 12 keine Rippen vorgesehen. Stattdessen sind Enden 32a der Lanzetten 32' angeschrägt und schaufelartig, d. h., in einer Richtung senkrecht zu der Profilkrümmung der Lanzetten, zu dem offenen Ende ders Sammelrohrs 10 hin gebogen. Das schaufelförmig gekrümmte, abgeschrägte Ende 32a der Lanzetten 32' ragt auf der Innenseite der Einlötplatte 12 heraus und wirkt als Strömungsumlenkelement.
In einer nicht näher dargestellten Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels sind zwei Lanzettblöcke vorgesehen, die sich zu beiden Seiten eines Zuführrohres (Sammelrohres) und eines Abführrohres (Sammelrohres) erstrecken. Hierzu ist jedes Sammelrohr so aufgebaut, dass zwei Einlötplatten parallel zueinander angeordnet und durch zwei Kreisringsegmentschalen miteinander verbunden sind. Dieser Aufbau ermöglicht eine um die Sammelrohre symmetrisch aufgebaute Konstruktion und eine größere Wärmeübergangsfläche durch eine Verdoppelung der Anzahl der Lanzette.
In einer weiteren, nicht näher dargestellten Abwandlung sind die Sammelrohre jeweils aus einem drei-, vier- oder mehreckigen Rohr, insbesondere einem Vierkantrohr ausgebildet. Dieses Mehrkantrohr kann aus einzelnen Wänden verschweißt sein, wobei die als Einlötplatten dienenden und gegebenenfalls mit innenliegenden Rippen versteiften Wände eine geringere Wandstärke als die anderen, freien Wände aufweisen können. Alternativ können die freien (d. h., nicht mit Lanzetten bestückten) Wände mit außenliegenden Rippen versteift sein. Letztere Maßnahme ist auch bei Verwendung herkömmlicher Mehrkantrohre denkbar.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile eines Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschers 1' nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Soweit sich aus nachstehender Beschreibung nichts anderes ergibt, gelten die Erläuterungen bezüglich des ersten Ausführungsbeispiels und seiner Abwandlungen auch für dieses Ausführungsbeispiel.
Der Wärmetauscher 1' weist ein Sammelrohr 40 mit einer Zuführkammer 40a als Zuführpassage und einer Abführkammer 40b als Abführpassage, und einen Lanzettblock 30 auf, der wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
Das Sammelrohr 40 weist eine Einlötplatte 41, einen Trennsteg 42 und zwei Kreisringsegmentschalen 43a, 43b auf. Der Trennsteg 42 steht senkrecht auf der Einlötplatte 41 und teilt diese in zwei Hälften. Die eine Kreisringsegmentschalen 43a verbindet die freie Längskante des Trennstegs 42 mit der einen (in der Figur oberen) Längskante der Einlötplatte 41, um die Zuführkammer 40a auszubilden, und die andere Kreisringsegmentschale 43b verbindet die freie Längskante des Trennstegs 42 mit der anderen (in der Figur unteren) Längskante der Einlötplatte 41, um die Abführkammer 40b auszubilden. Die Einlötplatte 41 trägt die Enden der Lanzetten 32 derart, dass die Zuführkammer 40a und die Abführkammer 40b über den Lanzettblock miteinander kommunizieren. Das Sammelrohr 40 weist ferner eine Endplatte 45 auf, welche das Sammelrohr 40 an seinem in der Figur ”hinteren” Ende verschließt.
An seinem offenen (dem in der Figur ”vorderen”) Ende wird der Zuführkammer 40a des Sammelrohres 40 kalte Druckluft K zugeführt. Die Druckluft strömt durch die Lanzetten 32 des Lanzettblocks 30 (Lanzettstrom L) in die Abführkammer 40b, wird dabei erwärmt und verlässt die Abführkammer 40b über ihr offenes (in der Figur ”vorderes”) Ende als Warmluftstrom W.
Zur Herstellung wird die Einlötplatte 41 (vor oder nach der Bestückung mit den Lanzetten 32) mit dem Trennsteg 42 verschweißt, sodass eine Art T-Profil entsteht. Anschließend werden die Winkelräume des T-Profils mit den Kreisringsegmentschalen 43a, 43b verschlossen und die Ränder verschweißt. Schließlich wird die Endplatte 45 angeschweißt.
In einer nicht näher dargestellten Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels sind zwei Lanzettblöcke 30 vorgesehen sind, die sich zu beiden Seiten eines einzigen, durch einen Trennsteg in eine Zuführkammer und eine Abführkammer unterteilten Sammelrohres erstrecken. Hierzu ist das Sammelrohr so aufgebaut, dass zwei Einlötplatten parallel zueinander durch einen Trennsteg verbunden sind, sodass eine Art I-Profil entsteht, und zwei Kreisringsegmentschalen die freien Schenkel des ”I” miteinander verbinden.
Wenn diese Abwandlung ferner so abgewandelt wird, dass die Kreisringsegmentschalten unterschiedliche Bogenlängen aufweisen, stehen die Einlötplatten nicht parallel zueinander, sondern weisen einen Winkel zueinander auf. Hierdurch stehen auch die Lanzettblöcke in einem Winkel zueinander.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und ihren Abwandlungen wurde jeweils davon ausgegangen, dass die Hohlprofile einen lanzettförmigen Rohrquerschnitt aufweisen. Dies ist für die Durchströmung mit heißem Gas vorteilhaft, aber nicht zwingend. In einer vereinfachten Abwandlung können die Hohlprofile auch einen runden Rohrquerschnitt aufweisen.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'', 1''': Wärmetauscher
10: Zuführrohr (Sammelrohr)
11: Kreisringsegment-Abschnitt
12: Einlötplatte
12a: Loch
12b: Rippe (Strömungsumlenkelement)
13: Fügenaht
15: Endplatte
20: Abführrohr (Sammelrohr)
21: Kreisringsegment-Abschnitt
22: Einlötplatte
30: Lanzettblock
32, 32': Lanzette
32a: Abgeschrägtes Ende (Abwandlung)
40: Sammelrohr (zweites Ausführungsbeispiel)
40a: Zuführkammer
40b: Abführkammer
41: Einlötplatte
42: Trennsteg
43a, 43b: Kreisringsegmentschale
b: Breite der Einlötplatte
d: Innendurchmesser des Kreisringsegment-Abschnitts
u: lange Lochachse
v: kurze Lochachse
A: Abgasstrom (gekühltes Abgas der Gasturbine)
H: Heißgasstrom (heißes Abgas der Gasturbine)
K: Kaltluftstrom (zugeführte Druckluft des Wärmetauschers)
L: Lanzettstrom
W: Warmluftstrom (abgeführte, erwärmte des Wärmetauschers)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

GB 1444847 [0002]
DE 3146089 C2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

U. Knott et al., Fügetechnische Herausforderungen bei der Herstellung eines Lanzetten-Wärmetauschers, DVS 237, Seiten 107–110 [0004]

Claims

Profilwärmetauscher, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Zuführpassage, einer Abführpassage und einer Mehrzahl von mit dieser Zu- und Abführpassage kommunizierenden Hohlprofilen von vorzugsweise langgestrecktem, insbesondere ovalem, elliptischem oder lanzettförmigem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Zu- und/oder Abführpassage dienendes Sammelrohr wenigstens einen in Längsrichtung sich erstreckenden, wenigstens im Wesentlichen ebenen Wandabschnitt aufweist, von welchem Hohlprofile abragen.
Profilwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlprofile so in dem ebenen Wandabschnitt befestigt sind, dass sie mit der Innenseite des ebenen Wandabschnitts bündig enden.
Profilwärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite des ebenen Wandabschnitts Rippen ausgebildet sind, wobei sich Rippen vorzugsweise entlang einem der länger gestreckten Randabschnitte der Löcher erstrecken, wobei Rippen besonders bevorzugt in einer anderen Krümmungsrichtung als der Krümmungsrichtung des Randabschnitts zu einem offenen Ende des Sammelrohrs hin gebogen sind.
Profilwärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr aus mehreren einzelnen, zu einem geschlossenen, hohlen Gesamtprofil gefügten Profilabschnitten ausgebildet ist, wobei wenigstens einer der Profilabschnitte die Form einer wenigstens im Wesentlichen ebenen Platte aufweist.
Profilwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilabschnitte wenigstens ein Schalenbauteil mit einem wenigstens im Wesentlichen kreisringsegmentförmigen Querschnitt umfassen.
Profilwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr durch ein in Längsrichtung geschnittenes Rohrstück von ursprünglich wenigstens im Wesentlichen kreisringförmigem Querschnitt und ein wenigstens im Wesentlichen ebenes Plattenbauteil, die einstückig zu einem geschlossenen Querschnitt miteinander verbunden sind, gebildet ist.
Profilwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr zwei ebene Wandabschnitte und zwei gebogene Wandabschnitte von vorzugsweise kreisringsegmentförmigem Querschnitt aufweist, die einstückig zu einem geschlossenen Querschnitt miteinander verbunden sind.
Profilwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr ein Rohr mit drei-, vier- oder mehreckigem Querschnitt ist, wobei die Hohlprofile wenigstens von einer, vorzugsweise von zwei Wänden des Sammelrohrs abragen.
Profilwärmetauscher, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Zuführpassage, einer Abführpassage und einer Mehrzahl von mit dieser Zu- und Abführpassage kommunizierenden Hohlprofilen von vorzugsweise langgestrecktem, insbesondere ovalem, elliptischem oder lanzettförmigem Querschnitt, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Enden von Hohlprofilen abgeschrägt sind, und zwar vorzugsweise auf der Seite eines der länger gestreckten Querschnittsabschnitte, wobei abgeschrägte Enden über die Innenseite des ebenen Wandabschnitts hinaus in das Sammelrohr hinein ragen, und zwar vorzugsweise so, dass die konkave Seite des abgeschrägten Endes zu einem offenen Ende des Sammelrohres hin weist, wobei die abgeschrägten Enden besonders bevorzugt in einer anderen Krümmungsrichtung als der Krümmungsrichtung des Hohlprofils zu dem offenen Ende des Sammelrohres hin gebogen sind.
Verfahren zum Herstellen eines Profilwärmetauschers, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Zuführpassage, einer Abführpassage und einer Mehrzahl von mit dieser Zu- und Abführpassage kommunizierenden Hohlprofilen, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten: Vorbereiten einer Anzahl von U-förmig gebogenen Hohlprofilen mit vorzugsweise langgestrecktem, insbesondere ovalem, elliptischem oder lanzettförmigem Querschnitt; Vorbereiten wenigstens eines Plattenbauteils mit einer Anordnung von Löchern, deren Größe und Form dem Querschnitt der Hohlprofile angepasst ist, beispielsweise durch ein Erosionsverfahren; Befestigen der Hohlprofile in den Löchern des Plattenbauteils oder der Plattenbauteile vorzugsweise durch ein thermisches Fügeverfahren, insbesondere unter Einsatz eines Lötverfahrens; Verbinden des Plattenbauteils oder der Plattenbauteile mit wenigstens einem weiteren Profilelement vorzugsweise durch ein thermisches Fügeverfahren, insbesondere unter Einsatz eines Laserstrahl-Schweißverfahrens, zu einem als Zu- und/oder Abführpassage dienenden Sammelrohr des Wärmetauschers.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilelement durch Aufschneiden eines Rohrstücks von wenigstens im Wesentlichen kreisringförmigem Querschnitt in seiner Längsrichtung hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Herstellens des Plattenbauteils den Schritt aufweist: Ausbilden von Rippen auf der jeweils gleichen Seite der Löcher, wobei sich die Rippen vorzugsweise entlang einer der längeren Seiten der Löcher erstrecken, wobei die Rippen besonders bevorzugt in jeweils gleicher Richtung, insbesondere in Längsrichtung des Plattenbauteils, gebogen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenbauteil durch ein RM-Verfahren generativ aufgebaut.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Herstellens der Hohlprofile einen Schritt eines Abschrägens der Enden der Hohlprofile aufweist, und zwar vorzugsweise auf der Seite eines der länger gestreckten Querschnittsabschnitte, dass in dem Schritt des Befestigens der Hohlprofile diese so in den Löchern des Plattenbauteils angeordnet werden, dass die abgeschrägten Enden aber die Oberfläche des Plattenbauteils hinausragen, und dass das Plattenbauteil in dem Schritt des Verbindens so angeordnet wird, dass die konkaven Seite des abgeschrägten Endes zu einem offenen Ende des Sammelrohres hin weisen, wobei ferner die abgeschrägten Enden der Hohlprofile vor oder nach dem Befestigen besonders bevorzugt in einer anderen Krümmungsrichtung als der Krümmungsrichtung des Hohlprofils gebogen werden.
Gasturbine mit einem Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9.