DE2003206A1

DE2003206A1 - Waermetauschersystem

Info

Publication number: DE2003206A1
Application number: DE19702003206
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl-Ing Heckel; Juergen Dipl-Ing Heuer; Eberhard Dipl-Ing Tiefenbacher
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1970-01-24
Filing date: 1970-01-24
Publication date: 1971-08-12

Description

,armetauschersystem Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschersystem zur Kühlung der Kühlluft von Turbinenschaufeln, insbesondere bei Zweikreis-Strahltriebwerken, in welchen in axialer Richtung ein die Brennkammer umgebendes Kühlsystem mit einer inneren und einem äußeren l.lärmetauscher angeordnet ist.
Es ist bekannt, daß zur Steigerung der Leistung von Flugtriebwerken in erster Linie die Turbieneneintrittstemperatur erhöht werden muß. Dies kann durch eine größere Vorverdichtung der Verbrennungsluft und durch.das Einspritzen einer grvßeren Kraftstoffmenge in die Brennkammer erfolgen. Da jedoch die heute verfügbaren Schaufelwerkstoffe der der Brennkammer nachgeschalteten Hochdruckturbine, welcher die heißen Verbrennungsgase zugeleitet werden, bereits bis an ihre Grenze belastet sind, kann die Turbineneintrittstemperatur nur durch gleichzeitige Kühlung der Schaufeln gesteigert werden.
Der Erfindung loegt die Aufgabe zugrunde, ein geeigneter Wärmetauschersystem zu schaffen, durch welcher eine Kühlubg der Schaufeln der der Brennkammer nachgeschalteten Turbine @eglich ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelbst, daß die Wärmetauscher jeweils aus sandwichartigen Lagen von Rohren und wellblechen aufgebaut sind, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine zylindrische Form zuweichen, und daß die Zu- und @@@@-rungsleitungen des Wärmezwischenträgers jeweils nur an einem Ende der wärmetauscher gleichmäßig auf den Umgang verteilt angeordnet sind.
Für jeden Wärmetauscher können zwei oder mehrere von Zylinderneingefaßte wellblechschichten vorgesehen werden, zwischen denen jeweils eine Lage aus Rohren, die mit jeweils einem der Zylinder fest verlotet sind, angeordnet ist. Vorteilhart können die Zuführungsrohre der Wärme trägers in der außeren Wellblechschicht parallel und axial angeordnet und die Rückführungsrohre zwischen den Wellblechschichten ähnlich den Gangen eines Gewindes auf einen Zylindermantel gewickelt sein. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Rohrunlebkungen außerhalb der Wärmetauscher liegen und die Strömung des Wärmeträgers in den Rückführungsrohren der Luftströmung entgegengerichtet ist. Durch die Maßnahme, daß die Leitungsrohre des Wärmeträgers in gewindeartigen Gangen auf einen Zylindermantel gewickelt sind, wird vorteilhaft erreicht, daß alle Rohre die gleiche Länge haben und damit auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung des Wärmetauschers in radialer Richtung bewirkt wird. Der Wärmeträger, z. B. Kühlwasser, strömt nun zunächst von der Lufteintrittsseite des Wärmetauschers auf die Luftaustrittsseite, wo er nach einer außerhalb der Wärmetauschermatrix liegenden Umlenkung in die schraubenförmig gewickelten Rohre eintritt und dann zur Lufteintrittsseite des Wärmetauschers zurückströmt. Dadurch ergibt sich vorteilhaft ein gegenläufiges Wärmetauschersystem, wodurch ein gegenüber dem Gleichstromsystem verbesserter Wärmeübergang erreicht wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestalltung der Erfindung, können die von den Wellblechen geblideten Kanäle parallel und axial zur Zylinderachse der Einfassungszylinder angeordnet sein. Die Luft strömt durch die von den Wellblechen gebildeten Kanäle parallel zur Wärmetauscherachse, so daß sich eine gut gerichtete Luftströmung ergibt. Da zusätzlich jeweils eine Lage aus gewickelten Rohren mit einem der Zylinder fest verlötet ist, ist eine gute Wärmeleitende Verbindung gewährleistet.
Zur Gewichtsersparnis kann es vorteilhaft sein, wenn die Wellbleche auf der ganzen Fläche perforiert, genockt oder geschlitzt sind. Dadurch ergibt sich zugleich der Vorteil, daß durch die bedingte Erhöhung der Turbulenz und des damit verbundenen verbesserten Wärmeüübergangs außerdem die Wirksamkeit des Kühlsystems erhöht wird.
Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung kann jeweils vor der Lage aus gewickelten Rohren ein Ring mit kegelförmigem Querschnitt angeordnet sein, dessen Spitze der ankommenden Luftströmung entgegengerichtet ist. Dieser Ring bewirkt, daß die Luft wie durch eine Düse mit geringen Verlusten den Wellblechlagen zuströmt. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß die Kontraktionsverluste und Expansionsverluste, deren Anteil am Gesamtdruckverlust des Wärmetauschers besonders hoch sind, stark herabgesetzt werden. Ein hoher Druckverlust des Wärmetauschersystems würde einem empfindlichen Schubverlust des Triebwerkes verursachen. Durch die Anordnung des der ankommenden Luftströmung entgegengerichteten kegelftrmigen Ringesvor der lage aus gewickelten Rohren wird der Druckverlust jedoch stark herabgesetzt.
Zur Verminderung der Herstellungskosten und zur Vereinfachung der Montage können der innere und der äußere Wärmetauscher im Prinzip genau gleich aufgebaut sein, wobei aber die verschiedenen physikalischen Zustande der Luft durch entsprechende Dimensionierungen der Querschnitte zu berücksichtigen sind.
Der Gegenstand der Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und ; ird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zweikreis-Strahltriebwerkes im Längsschnitt (obere Hälfte), Fig. 2 einen Wärmetauscher im Querschnitt, Fig. 3 die abgewickelte Darstellung der Rohrlangen des Wärmetauschers nach Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt durch den Wärmetauscher gemäß den Pfeilen IV-IV in Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Zweikreis-Strahltriebwerk schematisch dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus dem Bläser 1 ( Fan), dem Verdichter 2, der Brennkammer 3, der Hochdruckturbine 4, der Niederdruckturbine 5, dem Bypass 6, dem Außenwärmetauscher 7 und dem Innenwärmetauscher 8. Die Verbrennungsluft strömt der Brennkammer in Pfeilrichtung 9 zu. Von dem Hauptluftstrom 9 wird nach dem Verdichter 2 ein Nebenstrom abgezweigt und durch eine Rohrleitung 10 dem Innenwärmetauscher 8 zugeführt.
In den Wärmetauschern 7, 8, die konzentrisch um die Achse 11 des Strahltriebwerkes angeordnet sind, wird ein Kühlmittel, z.
B. Kühlwasser mit Frostschutzmittel, mittels einer in der -Zeichnung nicht dargestellten Pumpe umgepumpt. Die von der abgezweigten vorverdichteten Luft im Innenwärmetauscher 5 aufgenommene Wärme, wird im Außenwärmetauscher an die im Bypass 6 strömende Luft abgegeben. Nach dem Durchströmen des Innenwärmetauschers 8 wird die gekühlte, vorverdichtete Luft den Schaufeln der Hochdruckturbine 4 und der Niederdruckturbine 5, die von den heißen Verbrennungsgasen aus der Brennkammer 3 beaufschlagt sind, zugeführt. Die Kühlluft verlaßt dann zusammen mit den As gasen das Zieikreis-StrahltriebX-Jerk Pus der Niederdruckturbine 5.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen der beiden Wärmetauscher 7, 3, die im Prinzip gleich aufgebaut sind. Entsprechend dem rotationssymmetrischen Aufbau der Gasturbine haben die Wärmetauscher eine zylindrische Form und sind konzentrisch zur Turbinenwelle, angeordnet. In dem Querschnitt gemäß der Fig. 2 ist zu erkennen? daß der Wärmetauscher aus sandwichartig aufgebauten Rohrlagen 12, 13 und Wellblechlagen 14 aufgebaut ist, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine zylindrische Form aufweisen. Die Wellblechlagen 14 sind von Blechzylindern 15 eingefaßt, zwischen denen jeweils eine Lage aus Rohren 12, 13 angeordnet und jeweils mit einem der Zylinder 15 fest verlötet ist. Dadurch ergibt sich ein besonders guter Wärmeübergang.
In der Fig. 3 ist des Rohrleitungsnetz für @en Wärmeträger in abgewickelter Form dargestellt. Die Zuleitungen 10 um@@@@@@@-rungsleitungen 17 für den Wärmezwischenträger sind jeweils nur an einer Seite des Wärmetauschers angeordnet. Die Strömungsrichtung des Wärmeträgers ist mit Pfeilen dargestellt.
Die Rohrunlenkungen 13 sind außerhalb des Wärmetauschers angeordnet und die Strömung des Wärmeträgers ist in den Rückführungsrohren 13 der mit einem Pfeil 19 dargestellten Luftströmung ebtgegengerichtet. Dadurch ergibt sich ein besonders intensiver Wärmetausch zwischen dem Wärmezwischenträger und der Luft. Der die Wellblechschichten 14 einfassende Zylindermantel 15 ist strichpunktiert eingezeichnet.
In der Fig. 1 ist dargestellt, wie die beiden Wärmetauscher 7, 3 mittels Verbindungsleitungen 20 miteinander in Verbindung stehen. Die Verbindungsleistungen 20 durchsstoßen den ringförmigen Verbrennungsluftzuführungskanal 21 der Brennkammer 3 und sind gleichmäßig über den Wärmetauscherumfang verteilt.
Die Fig. 4 zeigt einen Schnitt gemäß den Pfeilen IV-IV der Fig. 2 durch einem Wärmetauscher. Die Rückführungsrohrlagen 13 sind von den mittels Blechzylindern 15 eingefaßten Wellblechlagen 14 umgeben. Die Luft durchströmt die Wellblechlagen 14 in Pfeilrichtung 22. Jeweils vor einer Lage 23 aus gewickelten Rohren 13 ist ein Ring 24 mit kegelförmigen Querschnitt angeordnet, dessen Spitze der ankommenden Luftströmung entgegengerichtet ist.
Beide Wärmetauscher sind im Prinzip genau gleich aufgebaut, wobei aber die verschiedenen physikalischen Zustände der Luft durch entsprechende Dimensionierung der Querschnitte berücksichtigt sind.

Claims

Patent- und Schutzansprüche

1. Wärmetauschersystems zur Kählung der kühlluft von Turbinenschaufeln, insbesondere bei Zweikreis-Strahltriebwerken, in welchen in axialer Richtung ein die Brennkammer umgebendes Kühlsystem mit einem inneren und einem äußeren Wärmetauscher angeordnet ist, dadurch gakeunzeichnet, daß die Wärmetauscher jeweils aus sandwichartigen Lagen von Rohren (12, 13) und Wellblechen (14) aufgebaut sind, die konzentrisch zueinander angeordret sind und eine zylindrische Form aufweisen, und daß die Zu- (16) und Abführleitungen (17) des Wärmezwischenträgers je-veils nur an einem Ende der Wärmetauscher (7, 8) gleichmäßig auf den Umfang verteilt angeordnet sind.

2. Wärmetauschersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Wärmetauscher zwei oder mehrere von Zylindern (15) eingefasste Wellblechschichten (14) vorgesehen sind, zwischen denen jeweils eine Lage aus Rohren (12, 13), die beiderseits mit einem Zylinder (15) fest verlötet sind, angeordnet ist.

3. Wärmetauschersystem nach den Ansprüchen 1 und c, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsrohre (16) des Wärmeträgers in der äußeren Wellblechschicht parallel und axial angeordnet und die Rückführungsrohre (13) zwischen den Wellblechschichten ähnlich den Gängen eines Gewindes auf einen Zylindermantel (15) gewickelt sind.

4. Wärmetauschersystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrumlenkungen (18) außerhalb der Wärmetauscher liegen und die Strömung des Wärmeträgers in den Rückführungsrohren (13) der Luftströmung (19) entgegen gerichtet ist.

5.Wärmetauschersystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Wellblechen (1.4) gebildeten Kanäle parallel und axial zur Zylinderachse der Einfassungszylinder (15) angeordnet sind.

6. Wärmetauschersystem nach den zu den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Weibleche (14)auf der ganzen Fläche perforiert, genockt oder geschlitzt sind.

7. Wärmetauschersystem naeh den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vor der Lage (23) aus gewickelten Rohren (13) ein Ring mit kegelförmigem Querschnitt angeordnet ist, dessen Spitze der ankommenden Luftströmung entgegengerichtet ist.