DE1936996A1

DE1936996A1 - Antrieb fuer einen drehbaren keramischen Waermeaustauscher fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1936996A1
Application number: DE19691936996
Authority: DE
Inventors: Azelborn Nicolas A
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1968-08-29
Filing date: 1969-07-21
Publication date: 1970-03-05
Also published as: GB1206910A; US3496993A

Description

Dipl.-Ing. Karl Wessel

8 München 13 . München, den ₉₁ . ,._1nen

Hohenstaufenstr. 2, Tel. 33 8111 ^l ·· Juli 7959

Mein Zeichen: PK-2^57

Ford-Werke Aktiengesellschaft

Köln-Deutz Ottoplatz 2

"Antrieb für einen drehbaren keramischen Wärmeaustauscher für Gasturbinen"

Für diese Anmeldung wird die Priorität der Anmeldung Se.No. 756 172 vom 29. August 1968 in den Vereinigten Staaten von Nordamerika in Anspruch genommen.

Kurzbeschreibung

Der Basisteil eines C-förmigen Abstützteiles ist an einem flexiblen Polster befestigt, welches sich gegen den äusseren Umfang eines keramischen Wärmeaustauschkörpers legt. Die Schenkel des Stützteiles umgreifen die beiden Seiten eines metallischen Ringzahnrades und Zapfen an den Seiten des Ringzahnrades sind in Nuten der Stützteilschenkel beweglich. Blattfedern zwischen dem Basisteil des Stützteiles und dem Ringzahnrad drücken dieses radial von dem Wärmeaustauschkörper hinweg.

Hauptbeschreibung

Der Wirkungsgrad einer Gasturbine steigt direkt mit der Temperatur der in das Turbinenrad eintretenden Gase. Es wurden ausgiebige Versuche durchgeführt, um neue Materialien für hohe Temperaturen ausfindig zu machen und um' diese Materialien in Teile von Gasturbinen verarbeiten zu können. Ein Teil dieser

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Versuche führte kürzlich dazu, einen keramischen Wärmeaustauscher zu schaffen, der beträchtliche Zeitabschnitte unter hohen Temperaturen arbeiten kann und der eine wirksame Wärme-Austauschfunktion erfüllt. Es sind metallische;· Zahnräder erforderlich, um derartige Wärmeaustauschkörper anzutreiben und die Unterschiede in den Wärmeausdehnungs-Koeffizienten vom kerami-• sehen und metallischen Material ergaben beträchtliche Schwierigkeiten in der Schaffung eines geeigneten Antriebes hierfür.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Antriebsvorrichtung für einen keramischen Wärmeaustauschkörper einer Gasturbine, die eine Keilwirkung zwischen dem Austauschkörper und einem ringförmigen Antriebsteil benutzt, um das Antriebsmoment zu übertragen unter gleichzeitiger Ermöglichung von Wärmeausdehnungs-Unterschieden zwischen dem Austauschkörper und dem Antriebsteil. Bei einer Gasturbine mit einem drehbar angeordneten keramischen Wärmeaustauschkörper, der für Gase, die im wesentlichen parallel zur Drehachse des Körpers strömen, durchlässig ist, besteht der Antrieb in einem ringförmigen Antriebsteil, welches rund um den Umfang des Austauschkörpers verläuft und eine Anzahl Zapfen an den Seiten trägt. Es sind eine Anzahl Einstellteile zwischen dem Wärmeaustauschkörper und dem Antriebsteil angeordnet. Die Einstellteile stellen den Antriebsteil relativ zu dem Wärmeaustauschkörper und übertragen auch das Antriebsdrehmoment von dem Antriebsteil auf dem Wärmeaustauschkörper. Die Einstellteile bestehen aus flexiblen Polstern, die den äusseren Umfang des Wärmeaustauschkörpers berühren, fernerhin ist an ;jedem Polster ein Stützteil vorgesehen mit einem nach aussen gerichteten Schlitz, der die Zapfen des Antriebsteiles beweglich umfasst. Ein Teil zur Vorbelastung sitzt zwischen dem Austauschkörper und dem Antriebsteil und drückt diesen radial von dem Wärmeaustauschkörper hinweg.

Der Antriebsteil ist normalerweise ein metallisches Ringzahnrad mit Zähnen an der Aussenflache, obgleich auch ein Reibradantrieb aus verschiedenen Materialien benutzt werden kann. Es wird ein C-förmiges Stützteil- bevorzugt, weil die Schenkel

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eines derartigen Stützteiles an den Seiten des Antriebsteiles vorstellen können und weil jeder Schenkel eine Zapfen- und Schlitzanordnung "besitzen kann. Als Vorbelastungsteile dienen zweckmässigerweise Blattfedern.

Das antreibende Drehmoment für den Antriebsteil wird auf die Stützteile über die Zapfen übertragen und die Stützteile ihrerseits übertragen das Drehmoment über das flexible Polster auf den keramischen Wärmeaustausohkörper. Die Polster verteilen das Antriebsmoment über den Umfang des Wärmeaustauschkörpers und verhindern hierdurch Beanspruohungskonzentrationen durch das Drehmoment. Durch die Wärme hervorgerufene Dimensionsänderungen zwischen dem Wärmeaustauschkörper und dem Antriebsteil werden durch die flexiblen Polster absorbiert sowie durch die gleitende Bewegung der Zapfen gegenüber den Schlitzen. Es können eine Anzahl gleiohmässig verteilter flächen am Umfang des Wärmeaustausohkörpers vorgesehen sein und die Polster können an den Flächen angebracht sein. Hohen Betriebstemperaturen der Gasturbine werden erreicht, indem der Wärmeaustaueohkörper auf einem kreisförmigen keramischen inneren Gehäuse aufruht, welches eine diametral verlaufende Wand besitzt, die das innere Gehäuse in zwei halbkreisförmige Kanäle unterteilt. Das innere Gehäuse wird von dem Aussengehäuse der Turbine umgeben, so dass ein Ringraum rund um den Wärmeaus tausohkörper und die Antriebsvorrichtung vorhanden ist. Ein Kanal, der verhältnismässig kühle luft aus dem Kompressor an den Wärmeaustauscher liefert, steht mit dem Zwischenraum in Verbindung, so dass der Antriebsteil und die Einstellteile von kühler Luft umspült werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, auf der zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Gasturbine, der die Beziehung zwischen den Einstellteilen zu dem keramischen Wärmeaustauschkörper und dem Ringzahnrad erläutert.

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil des Wärmeaustauschkörpers,

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dee Ringsahnradeβ und der Einstellteile, wobei ein Seil , eines Schenkels des S tüteteile β weggebrochen ist, tun die Benutzung einer Blattfeder bu veranschaulichen, die das Ringzahnrad von den Wärmeaustauschkörper hinwegdrtiokt.

In der Pig. 1 besitzt eine Gasturbine mit der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen ein elliptisches metallisches äusseres Gehäuse 1O_t welches oben am Wärmeaustauscherteil offen ist. Sie Fig. 1 ist im gröBeeren Durchmesser der Ellipse geschnitten. Ein kleineres keramisches inneres Gehäuse 12 sitzt in dem Gehäuse 10 und endigt kurz vor der oberen Öffnung des Gehäuses 10. Das innere Gehäuse 12 besteht aus einer äusseren zylindrischen Wand 14, welche diametral durch eine Wand 15 in zwei halbkreisförmige Kanäle 16 und 17 unterteilt ist. Sie Wand 14 bildet einen Ringkanal 13 zwisohen einem Teil ihres Umfangeβ und dem Gehäuse 10. Oben auf dem Gehäuse 12 sitzt eine feste keramische Reibdiohtung 18 mit der gleichen Gestalt wie das Gehäuse 12 und ist hier gegen eine kreisförmige Bewegung durch Eingriffsrippen 20 an der Unterseite der Sichtung 18 in entsprechende Nuten oben auf dem Gehäuse 12 gesichert. Sie Sichtung 18 besteht aus einem keramischen Material mit guten Abnutzungeeigenschaften, wie z. B. einer Kombination nickeloxid - OaIciumfluorid. Sie Sichtung 18 kann auch mit dem inneren Gehäuse 12 aus einem Stück bestehen.

Oben auf der Sichtung 18 sitzt ein keramischer Wärmeauetaueohkörper 22 drehbar. Ser Wärmeaustauschkörper ist mit Löchern versehen für G_ase, die im wesentlichen parallel zu seiner Drehachse hindurchtreten und dann entweder eine kreisförmige Aussenf lache besitzen, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, oder eine Aus senf lache aus einer Anzahl Flächen 24 gemäss Fig· 2. Etwa 12 Flächen 24 haben sich als zweokmässig erwiesen und die flachen Teile schneiden sich vorzugsweise so, dass der Wärmeaustauscher per die Gestalt eines regelmässigen Zwölfeckeβ besitzt.

An jeder Fläche 24 sitzt ein Binstellteil 26 oder eine Anzahl Einstellteile sind rund um den äusseren Umfang eines kreisför-

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algen Wärmeaustauscherpers verteilt angeordnet. Die Binetellkörper 26 "bestellen aus C-förmigen Stützteilen 28, deren Basisteil 30 an einem flexiblen Polster 32 haftet. Die Schenkel 34 und 36 der Stützteile sitien an den Seiten eines Ringzahnrades 38. In den Schlitzen 34 und 36 sind zwei Schlitze vorgesehen, von denen einer in der Fig. 2 mit 40 'bezeichnet ist. Die Schlitze sind naoh ausseu.bffen und sind in Richtung der Drehung des Wärmeaustausohkörpers abgewinkelt.

Die vorspringenden Zapfen 42 und 44 an den oberen und unteren Seiten des Ringzahnrades 38 greifenkleitfähig in die Schlitze 40 ein. Die Enden einer Blattfeder 46 sind an der Basis 30 des Stützteiles 28 festgelegt und der Hittelteil der Feder 46 legt sioh gegen den inneren umfang des Ringzahnrades 38. Die Enden der Feder 46 können mit der Basis 30 des Stützteiles verkeilt sein oder «ie können in flache Nuten eingreifen, von denen eine mit 48 in der Pig. 2 bezeichnet 1st.

Das Ringzahnrad 38 besitzt Zähne 50 an der Aussenflache. Ein Ritzel 52, welches von zwei Torsprüngen 54 und 56 in dem Gehäuse 10 gehalten wird, greift in die Zähne 50 ein. Das Zahn- rad 52 wird von dem nicht dargestellten Turbinenrad angetrieben.

Über der Zwischenwand 15 liegt der gerade Teil einer D-förmigen Dichtung 58 auf, deren halbkreisförmiger Teil über dem halbkreisförmigen Teil des Gehäuses 12 sitzt, der den Kanal 17 bildet, wobei der untere Teil der Dichtung 58 in Reibberührung mit dem Wärmeaustauschkörper 22 steht. Die Dichtung 58 kann aus Metall hergestellt sein, und zwar mit einer Abnutzungsflache an der unteren Seite, die auf keramischem Material arbeiten kann. Eine solche Dichtung ist z. B. in der amerikanischen Patentanmeldung Serial No. 613 920 vom.3. Februar 1967 beschrieben. Oben an der inneren Kante der Dichtung 58 ist eine Blechdiohtung 60 angesohweisst.

Der offene Teil des äusseren Gehäuses 10 ist von einer Metallkappe 62 abgedeckt. Die Kappe 62 besitzt eine abwärts weisende

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Hippe 64, die den gleichen Verlauf hat, wie die diametrische Wand 15 des inneren Gehäuses. Die Rippe 64 legt sich auf den geraden Teil der Bleohdiohtung 60 und ein Teil des Umfangeβ der Kappe 62 legt sich auf den halbkreisförmigen Teil der Bleohdiohtung 60 auf. Die Sichtung 60 wird au» Federmaterial hergestellt und wird duroh die Kappe 62 verbogen, um den Wärme-• austausohlcörper 22 auf die Biohtung 18 aufsudrüolcen. Sie Drehung der Siohtung 58 wird duroh (nioht dargestellte) vorstehende Stifte an der Kappe 62 oder dem Gehäuse 10 vermieden.

Beim Betrieb der Gasturbine strömt verhältnismäßig kühle Luft aus dem Kompressor in den Kanal 13 ho oh und wird duroh die Kappe 62 abwärts in den mit Löchern versehenen Teil des sioh drehenden Wärmeaustausohkörperβ 22 umgelenkt. Sie Luft tritt durch den Teil des Körpers 22 hindurch, der Über dem Kanal 16 liegt und strömt abwärts duroh den Kanal 16 in den Verbrennungsraum (nioht dargestellt) der Gasturbine. Sie heissen Verbreuungsgase aus der Brennkammer treten zunächst duroh die (nicht dargestellten) Turbinenräder und strömen alsdann aufwärts über den Kanal 17, den Teil des Wärmeaustauschkörpers 22 über dem Kanal 17 in den Kaum 64, aus dem die Gase in die freie Luft entweichen.

Sie Temperatur der Gase in dem Kanal 17 ist ausserordentlich hooh und kann 1000° 0 überschreiten. Ein beträchtlicher Teil dieser Wärme wird durch die Drehung des Wärmeaustauschkörpers auf die Lufν übertragen, die durch den Teil des Körpers über dem Kanal 16 hindurchtritt· Sie Gas tempera türen in dem Raum sind beträchtlich geringer als die Temperatur in dem Kanal 17, so dass die Metalldichtungen 58 und 60 über lange Zeiten gebrauchsfähig bleiben. Verhältnismässig kühle Luft aus dem Kanal 13 umgibt den äusseren Umfang des Körpers 22, so dass das Ringzahnrad 38, die Einstellteile 26 und das Ritzel 52 in verhältnismässig kühler Luft arbeiten.

Sas Polster 32 kann aus Pasermaterial, wie z. B. Asbest, bestehen oder aus einem plastischen Material für hohe Temperaturen, wie je. B. Sow-Corning Silastic 69. Materialien aus elastischen

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Hassen mit einer Schaumstruktur und einem Freivolumen τοη bis -SU 50 Vol.?i ergeben eine ausgezeichnete Kombination an Eigenschaften für Drehmomentübertragung und Elastizität zur Absorbierung τοη Dimensionsänderungen, die durch. Wärme hervorgerufen sind und werden bevorzugt verwendet.

Das Antriebsmoment aus dem Ringzahnrad wird duroh Zapf en 4-2 und 44 auf den Stützten 26 übertragen, der seinerseits das Antriebsmoment auf das Polster 32 überträgt. Das Polster 32 verteilt das Antriebemoment gleichförmig auf den Wtrmeaustauschkörper 22 und verhindert so eine Konzentration der Beanspruchung am Umfang des Körpers 22. Die Blattfedern 46 ergeben eine Vorspannung zwischen dem Ringzahnrad und dem Wärmeaue taue ohlcör per und sichern, dass die Polsterungen in Reibkontakt mit dem Körper 22 bleiben. Unterschiede in der Wärmeausdehnung werden teilweise duroh die Polsterungen absorbiert und in noch grösserem Ausmasβ durch die Bewegung der Zapfen 42 und 44 in den Schlitzen 40.

Die Erfindung ergibt so eine Wärmeaustauschvorrichtung für eine Gasturbine, die in verhältuismässig hohen Temperaturen der Yerbrennungsgase arbeiten kann. Die Vorrichtung verteilt das Antriebedrehmoment auf den äusseren Umfang des Wärmsaustausohkörpers und absorbiert Unterschiede in der Wärmedehnung ohne bemerkenswerte Konzentrationen der Beanspruchung·

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Claims

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Ansprüche

1. Antrieb für einen drehbaren keramischen Wärmeaustauscher für Oasturbinen,'der.Locher enthält und von den Brenngasen parallel zur Drehachse durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daft am ' Umfang des drehbaren Wärmeaustauschkörpers (22) eine Anzahl Einstellteile (26) vorgesehen sind, bestehend aus Je elite» ist Umfang des Wärmeaustauschkörpers (22) haftenden Polster (33) alt einem darauf befestigten Stützteil (28), welches ein Ringzahnrad (38) mit in Schlitzen (HO) der Stützteile (28) beteglichen Zapfen (42) hält, wobei eine Einrichtung sur Vorspannung zwischen dem Wärmeaustauchkörper (22) und dem Ringsahnrad (36) vorgesehen ist, durch die das Ringzahnrad (38) radial von dem Körper (22) hinweg in eine zu ihm konzentrische Lage gedruckt wird» ^ |;

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daft dlt Stützteile (28) für das.Ringzahnrad (38) im Querschnitt f'

C-fÖrnlg gestaltet sind und mit ihren Sehenkeln (34,36) di· Sei- ' ■/1

tenflachen des Ringzahnrades (3Ö) umfassen und dafi die Schenkel ·

(34,36) der Stützteile (28) mit nach auften offenen Schlltsen (40) _: "}{

versehen sind· .₍

3* Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daft die Schlitze (40) in den Schenkeln (34,36) der Stützteile (28) in der Drehrichtung des Wärmeaustauschkörpers (22) abgewinkelt sind.

4· Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daft die Einrichtung sur Vorspannung zwischen dem Wärmeaustauchkörper (22) und dem Ringzahnrad (38) eine Blattfeder (46) ist, dl» zwischen dem Basisteil (30) des Stützteiles (28) und dem · Ringzahnrad (38) sitzt und von der mindestens ein Ende mit dem Basisteil (30) des Stützteiles (28) verbunden ist.

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5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden der Blattfedern (46) mit den Basisteilen (30) der Stützteile (28) verbunden sind und die mittleren Federteile sich gegen das Ringzahnrad (38) legen.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5,- dadurch gekennzeichnet, daß das an dem Wärmeaustauschkörper (213) haftedde Polster (32) aus elastischer Masse besteht.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material eine Schaumstruktur mit etwa 30 Volumenprozent Leerraum besitzt.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauschkörper (22) eine Anzahl Flächen (24) an der Außenseite besitzt, an denen die Polster (32) sitzen.

9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Ringzahnrad (38) alt Außenzähnen (50) besteht und der Wärmeaustauschkörper (22) auf einem kreisförmigen keramischen Innengehäuse (12) mit einer diametrisch angeordneten Wand (15) besteht, die das Innengehäuse (12) in zwei halbkreisförmige Kanäle (16,17) unterteilt, und daß das innere Gehäuse (12) von einem äußeren Gehäuse (10) umgeben ist, welches einen Zwischenraum für die Antriebsvorrichtung (52) freiläßt,dem verhältnismässig kühle Luft für den. Wärmeauetauschkörper (22) zugeführt wird.

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