DE10236380A1

DE10236380A1 - Rekuperativ-Abgaswärmetauscher für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE10236380A1
Application number: DE10236380A
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. Schönenborn
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04
Also published as: US20040108095A1; GB2394038A; GB0318093D0; US6983787B2; GB2394038B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rekuperativ-Abgaswärmetauscher (10) für ein Gasturbinentriebwerk, der eine vom heißen Turbinenabgas (H) umströmte Kreuz-Gegenstrom-Matrix (16) sowie ein Verteilerrohr (12) zur Führung der von einem Verdichter geförderten Luft (D) in die Kreuz-Gegenstrom-Matrix (16) und ein parallel zum Verteilerrohr (12) angeordnetes Sammelrohr (14) zur Abführung der über die Kreuz-Gegenstrom-Matrix (16) aufgeheizten Verdichterluft (D') zu einem Verbraucher aufweist, wobei die dem Verdichter und Verbraucher abgewandten Stirnseiten (26) des Verteiler- und Sammelrohrs (12, 14) verschlossen sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die verschlossen ausgebildete Stirnseite (26) des Sammelrohrs (14) axial und radial fest mit dem Turbinengehäuse (30) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rekuperativ-Abgaswärmetauscher für ein Gasturbinentriebwerk gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Die Verwendung von Rekuperativ-Abgaswärmetauschern in Gasturbinentriebwerken ist bekannt. Derartige Abgaswärmetauscher umfassen neben einem Wärmetauschergehäuse im wesentlichen ein Verteilerrohr zur Zuführung der von einem Verdichter geförderten "kalten" Luft in eine vom heißen Turbinenabgas umströmte so genannte Kreuz-Gegenstrom-Matrix und ein Sammelrohr zur Abführung der nun aufgeheizten "heißen" Verdichterluft zu einem geeigneten Verbraucher, z. B. der Brennkammer des Gasturbinentriebwerkes. Die dem Verdichter und Verbraucher abgewandte Stirnseite des Verteiler- und Sammelrohrs sind in der Regel geschlossen ausgeführt. Die Zuführung der Luft vom Verteilerrohr in die Kreuz-Gegenstrom-Matrix bzw. die Abführung der Luft von der Kreuz-Gegenstrom-Matrix in das Sammelrohr erfolgt über mehrere, hintereinander angeordnete, in die Mantelfläche der Rohre eingebrachte Öffnungen/Löcher. Um den gewünschten Durchsatz erzielen zu können müssen in axialer Richtung mehrere solcher Lochreihen vorgesehen sein. Im folgenden werden die die Löcher aufweisenden Bereiche der Mantelfläche von Verteiler- und Sammelrohr als Lochfeld bezeichnet.

Die genannte Kreuz-Gegenstrom-Matrix umfasst ihrerseits eine Vielzahl von zu einem Rohrbündel zusammengefasste haarnadelförmige Lanzetten oder Röhrchen. Jedes Röhrchen innerhalb des Rohrbündels korrespondiert mit einer zugehörigen Öffnung aus dem Lochfeld des Verteiler- und Sammelrohrs. Jedes Rohrbündel ist jeweils an dem Verteilerrohr und dem dazu parallel angeordneten Sammelrohr befestigt und seitlich, U-förmig auskragend angeordnet. Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise in der DE-PS 36 35 548 offenbart.

Ferner ist aus der DE 41 18 777 A1 eine Vorrichtung zur kompakten Verbindung eines Rekuperativ-Abgaswärmetauschers mit einem Gasturbinentriebwerk bekannt. Die Konstruktion ist dabei so ausgeführt, dass die auf den Wärmetauscher wirkenden Belastungen, wie Gewichtskraft, Stoßbelastungen, z. B. als Ursache instationärer Betriebszustände, oder ähnliches, nicht vom Wärmetauschergehäuse selbst aufge nommen, sondern über so genannte Zwischenplatten direkt in das Gasturbinengehäuse eingeleitet werden. Ein konstruktives Merkmal der offenbarten Vorrichtung besteht u. a. darin, dass das Sammelrohr im Bereich seiner geschlossenen Stirnseite axial beweglich gelagert ist.

Wie die Erfahrung gezeigt hat erweist sich dabei der Umstand als nachteilig, dass die Kraft, die durch den hohen Innendruck auf die geschlossene Stirnseite des Sammelrohrs wirkt nicht direkt in das Turbinengehäuse eingeleitet wird. Vielmehr werden diese Kräfte über den Sammelrohrmantel an die gegenüberliegende Stirnseite des Sammelrohrs geleitet. Dieser Kraftfluss führt im Lochfeld, das infolge der Lochreihen in axialer Rohrachsenrichtung einen hohen Kerbfaktor aufweist, zu hohen Spannungsspitzen und damit zu erhöhten Verschleiß und geringer Lebensdauer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe durch eine neue konstruktive Ausbildung der Lagerung solcher Verteiler- und Sammelrohre, die die genannten Nachteile vermeidet, zu schaffen.

Ausgehend von einem Rekuperativ-Abgaswärmetauscher der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die verschlossene Stirnseite des Sammelrohrs axial und radial fest mit dem Turbinengehäuse verbunden ist.

Auf diese verblüffend einfache Weise wird nunmehr sichergestellt, dass ein direktes Einleiten der auf die geschlossene Stirnseite des Sammelrohrs wirkenden Kräfte in das Turbinengehäuse ermöglicht wird, also ein Kraftfluss von der geschlossen Stirnseite des Sammelrohrs direkt in das Turbinengehäuse gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Lagerung des Sammelrohrs führt zu wesentlichen Vorteilen.

Durch die gezielte Lenkung des Kraftflusses direkt in das Turbinengehäuse werden die Spannungsspitzen in den Kerbradien deutlich gesenkt. Dies führt zu einer deutlichen Lebensdauerverlängerung des Bauteils, was zugleich Kosteneinsparungen bedingt. Auch können die benötigten Konstruktionsbauteile leichter als bisher ausgebildet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der die geschlossene Stirnseite des Sammelrohrs umfassende Bereich als Abschlussdeckel ausgebildet. Vorzugsweise ist der Abschlussdeckel lösbar mit dem Sammelrohr verbunden. Die Verwendung eines lösbaren Abschlussdeckels erweist sich als vorteilhaft, da der Abschlussdeckel auf beide Stirnseiten des Sammelrohrs aufgebracht werden kann und somit der Einsatz bzw. Reparatur erleichtert wird.

Ein lastfreies und somit gewichtsoptimiertes Wärmetauschergehäuse ist dadurch gewährleistet, dass das Sammelrohr im Bereich seiner dem Verbraucher zugewandten offenen Stirnseite ebenfalls im Turbinengehäuse gelagert ist.

Um eine spannungsfreie Lagerung des Sammelrohrs sicher zu stellen, ist die der offenen Stirnseite zugeordnete Lagerung des Sammelrohrs vorzugsweise mit axialem Lagerspiel ausgebildet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Stirnseiten des Sammelrohrs jeweils Rohrkrümmer zur Luftzu- und -abführung auf, und das Sammelrohr ist im Bereich der beiden Rohrkrümmer im Turbinengehäuse gelagert. Dabei ist das Sammelrohr im Bereich des einen Rohrkrümmers axial und radial fest gelagert, während im Bereich des anderen Rohrkrümmers die Lagerung des Sammelrohrs mit axialem Lagerspiel ausgebildet ist. Die axialen Kräfte der Rohrkrümmer werden direkt in das Gehäuse eingeleitet und belasten das Sammelrohr nicht. Auch diese Ausbildung weist die eingangs genannten Vorteile auf.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbaus eines Wärmetauschers in Kreuz-Gegenstrom-Bauweise;
2 ein Sammelrohr mit der erfindungsgemäßen axialen und radialen Fixierung im Bereich der verschlossen Stirnseite des Sammelrohrs, und
3 ein Sammelrohr mit zwei an den Rohrenden angebrachten Rohrkrümmern gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Ein in 1 insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneter Rekuperativ-Abgaswärmetauscher eines Gasturbinentriebwerks umfasst im wesentlichen ein Verteilerrohr 12, ein parallel dazu angeordnetes Sammelrohr 14 sowie eine hierzu seitlich, U-förmig auskragende Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16.
Aus der unten links angeordneten Schnittdarstellung der Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 ist zu entnehmen, dass die Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 eine Vielzahl von haarnadelförmigen Röhrchen bzw. Lanzetten 17 aufweist. Die Lanzetten 17 sind jeweils am Verteiler- und Sammelrohr 12, 14 befestigt. Sie korrespondieren mit den hierfür in die Mantelfläche von Verteiler- und Sammelrohr 12, 14 eingebrachten – in dieser Darstellung nicht sichtbaren, – Öffnungen/Löcher. Die Mehrzahl dieser Öffnungen/Löcher in der Mantelfläche des Verteiler- und Sammelrohrs 12, 14 wird nachfolgend auch als Lochfeld bezeichnet.
Über mehrere Abstandshalter 16 ist eine Formhaltung des aus mehreren Lanzetten 17 aufgebauten Rohrbündels 20 der Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 sichergestellt. Die Anordnung der einzelnen Lanzetten 17 der Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 ist so, dass eine gute Umströmung des Rohrbündels 20 mit einem heißen Turbinenabgasstrahl H ermöglicht wird. Die Umströmung der Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 mit dem heißen Turbinenabgasstrahl H ist durch die Pfeile 22 angedeutet.
Die neben dem Rekuperativ-Abgaswärmetauscher 10 weiteren Komponenten eines Gasturbinentriebwerks sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Rekuperativ-Abgaswärmetauscher ist die folgende:
Dem Verteilerrohr 12 wird von einem Verdichter gemäß dem Pfeil D kalte Druckluft zugeführt. Die kalte Druckluft strömt vom Sammelrohr 12 über die in die Mantelflä che eingebrachten Öffnungen/Locher in die seitlich, U-förmig auskragende Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16. Durch die Umströmung der Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 mit dem heißen Turbinenabgas H erfolgt eine Aufheizung der kalten Verdichterluft. Nach Durchströmung der Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 und Zuführung in das Sammelrohr 14 wird die nun aufgeheizte Luft gemäß dem Pfeil D' einem geeignetem Verbraucher, z. B. der Brennkammer zugeführt.
2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Lagerung des Sammelrohrs 14 aus 1. Das im Vorfeld bereits erwähnte Lochfeld ist schematisch angedeutet und insgesamt mit der Bezugsziffer 22 versehen. Das Sammelrohr 14 hat einen Durchmesser d und weist eine linke Stirnseite 24 und eine rechte Stirnseite 26 auf. Die Abführung der Druckluft D aus dem Sammelrohr 14 zu der Brennkammer erfolgt über die linke, offene Stirnseite 24. Die gegenüberliegende, rechte Stirnseite 26 des Sammelrohrs 14 ist geschlossen ausgeführt. Hierfür ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Abschlussdeckel 28 vorgesehen.
Aus der schematischen Darstellung der Lagerung ist ersichtlich, dass die mit dem Abschlussdeckel 28 verschlossene Stirnseite 26 des Sammelrohrs 14 axial und radial fest mit einem Turbinengehäuse 30 verbunden ist, während im Bereich der linken Stirnseite 24 die Lagerung des Sammelrohrs 14 im Turbinengehäuse 30 axiales Spiel aufweist siehe Detail in 2).
Durch die erfindungsgemäße Lagerung des Sammelrohrs 14 ist sichergestellt, dass eine aufgrund des hohen Innendruck p auf die geschlossen Stirnseite wirkende Kraft
direkt in das Turbinengehäuse 30 eingeleitet wird. Ein Kraftfluss über den Mantel des Sammelrohrs 14 und somit über das Lochfeld 22 zu der linken Stirnseite 24 wird erfolgreich vermieden. Durch diese Art der Lagerung werden die Spannungsspitzen in den Kerbradien des Lochfeldes 22 abgebaut, was eine deutliche Lebensdauererhöhung des Sammelrohrs 14 bedingt.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lagerung dargestellt. Im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel ist hier jedoch die linke Stirnseite 24 mit einem ersten Rohrkrümmer 32 zur Luftzuführung und die rechte Stirnseite 26 mit einem zweiten Rohrkrümmer 34 zur Luftabführung versehen.
Um einen Kraftfluss über das Lochfeld 22 zu verhindern ist wiederum im Bereich des zweiten Rohrkrümmers 34 das Sammelrohr 14 axial und radial fest im Turbinengehäuse 30 gelagert, während im Bereich des ersten Rohrkrümmers 32 die Lagerung des Sammelrohrs 14 im Turbinengehäuse 30 axiales Lagerspiel aufweist.
Die axialen Kräfte der Rohrkrümmer werden direkt in das Gehäuse eingeleitet und belasten das Sammelrohr nicht.

Claims

Rekuperativ-Abgaswärmetauscher (10) für ein Gasturbinentriebwerk, der eine vom heißen Turbinenabgas (N) umströmte Kreuz-Gegenstrom-Matrix (16) sowie ein Verteilerrohr (12) zur Führung der von einem Verdichter geförderten Luft (D) in die Kreuz-Gegenstrom-Matrix (16) und ein parallel zum Verteilerrohr (12) angeordnetes Sammelrohr (14) zur Abführung der über die Kreuz-Gegenstrom-Matrix (16) aufgeheizten Verdichterluft (D') zu einem Verbraucher aufweist, wobei die dem Verdichter und Verbraucher abgewandten Stirnseiten (26) des Verteiler- und Sammelrohrs (12, 14) verschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die verschlossen ausgebildete Stirnseite (26) des Sammelrohrs (14) axial und radial fest mit dem Turbinengehäuse (30) verbunden ist.
Rekuperativ-Abgaswärmetauscher (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die geschlossene Stirnseite (26) des Sammelrohrs (14) umfassende Bereich als Abschlussdeckel (28) ausgebildet ist.
Rekuperativ-Abgaswärmetauscher (10) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschlussdeckel (28) lösbar mit dem Sammelrohr (14) verbunden ist.
Rekuperativ-Abgaswärmetauscher (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr (14) im Bereich seiner dem Verbraucher zugewandten offenen Stirnseite (24) im Turbinengehäuse (30) gelagert ist.
Rekuperativ-Abgaswärmetauscher (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der offenen Stirnseite (24) zugeordnete Lagerung des Sammelrohrs (14) mit axialen Lagerspiel ausgebildet ist.
Rekuperativ-Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Stirnseiten (24, 26) des Sammelrohrs (14) jeweils Rohrkrümmer (32, 34) zur Luftzu- und -abführung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr (14) im Bereich der beiden Rohrkrümmer (32, 34) im Turbinengehäuse (30) gelagert ist.
Rekuperativ-Abgaswärmetauscher (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr (14) im Bereich des einen Rohrkrümmers (34) axial und radial fest gelagert ist und im Bereich des anderen Rohrkrümmers (32) die Lagerung des Sammelrohrs (14) mit axialen Lagerspiel ausgebildet ist.