DE2028273A1

DE2028273A1 - Umlaufender Regenerativ Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE2028273A1
Application number: DE19702028273
Authority: DE
Original assignee: Leyland Gas Turbines Ltd
Current assignee: Leyland Gas Turbines Ltd
Priority date: 1969-06-11
Filing date: 1970-06-09
Publication date: 1971-04-22
Also published as: JPS4820823B1; US3650317A; GB1307365A; DE2028273B2

Description

DIPL.-ING. HARRO G RALFS 2 028? 73

PATENTANWALT ~~

33 BRAUNSCHWEIG

AM BORGERPARK 8 TELEFON (0531) 2 45 98

8. Juni 1970 L 703 - Al/Lie

Leyland Gasturbines Limited Meteor works, Lode Lane, Solihull, Warwickshire ENGLAND

Umlaufender Eegenerativwärmeubertrager

Die Erfindung bezieht sich auf einen umlaufenden Regenerativwärmeübertrager, mit dem Wärme zwischen zwei Medien übertragen wird«,

Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich einen umlaufenden Regenerativwärmeübertrager, wie er bei einem Gasturbinentriebwerk verwendet wird, um Wärme von den heißen Gasen, die durch eine Turbine des Triebwerks entspannt worden sind, auf Luft zu übertragen, die von einem Verdichter des Triebwerks verdichtet worden ist.

Eine Art von umlaufenden Wärmeübertragern, die bisher bei Gasturbinentriebwerken benutzt worden ist, weist eine umlaufende, schei-

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BANK, DEUTSCHE BANKAG.. »RAUNSCHWEIG, KÖNTO-NR. 03/01788 · POSTSCHECK, HANNOVER 1161661

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benförmige Matrix auf, die mit Dichtungen versehen ist, welche an den, Stirnflächen der Matrix anliegen und Wege durch die Matrix für die Luft und die heißen Gase festlegen. Wegen der Reibung in der Luft und in den heißen Gasen beim. Durchgang durch, die wärmeübertragenden Kanäle oder Poren in der Matrix erleiden die entsprechenden Ströme Druckverluste. Bisher waren die Einlaß- und Auslaßflächen, die die Wege durch die Matrix für die heißen Gase festlegen, im wesentlichen gleich groß ausgebildet worden, so daß sich wegen der Differenzen zwischen den Gasdrükken im Einlaß und im Auslaß ungleiche Belastungen der Stirnflächen der Matrix einstellten. Diese ungleichmäßige Belastung der Stirnflächen der Matrix führt aber zu einem Axialschub, der auf die Matrix einwirkt und dazu führen kann, daß die Matrix um ihre Achse kippt, so daß unerwünschte Spannungen in der Matrix erhalten werden. Wenn die Matrix aus einem spröden Material wie einem keramischen oder einem ähnlichen Material - beispielsweise Siliziumnitrid - hergestellt ist, können diese Spannungen zu Beschädigungen der Matrix führen. Außerdem würde der dem Axialschub entgegenwirkende Widerstand wegen der Neigung zu relativen Bewegungen zwischen der Matrix und dem Gehäuse zu einem Verschleißproblem führen.

Gemäß der Erfindung ist ein umlaufender Regenerativwärmeübertrager mit einer umlaufenden Matrix und Dichtungen, die an Einlaß- und Auslaßflächen der Matrix anliegen und Bereiche dieser Flächen festlegen, durch die Medien, zwischen denen Wärme übertragen werden soll, hindurchgeleitet werden, in der Weise ausgebildet, daß die Einlaß- und die Auslaßdichtung, die einen Weg für das eine oder andere der Medien festlegen, entsprechende Bereiche der Einlaß- und Auslaßflächen der Matrix umschließen, die unterschiedliche Größe besitzen, so daß die Größe der resultierenden, auf die Matrix einwirkenden Axialkraft verringert wird.

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Vorzugsweise ist die Matrix innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das einen Einlaß für eines der Medien aufweist, zwischen denen Wärme übertragen werden soll, so daß die gesamten Einlaß- und Auslaßflächen der Matrix mit Ausnahme der innerhalb der Einlaß- und der Auslaßdichtung gelegenen Flächen dem Einlaßdruck des einen Mediums ausgesetzt sind, wobei an der Matrix zwei Dichtungen angreifen, die Bereiche der Einlaß- bzw. der Auslaßfläche der Matrix umschließen und einen Strömungsweg für das andere Medium durch das Gehäuse und durch die Matrix festlegen, und wobei die von der Auslaßdichtung umschlossene Oberfläche der Matrix kleiner als die von der Einlaßdichtung umschlossene Fläche ist und die die von der Auslaßdichtung umschlossene Fläche umgebende Oberfläche der Matrix größer ist als die die von der Einlaßdichtung umschlossene Fläche umgebende Oberfläche, so daß der auf die Matrix einwirkende Schub infolge der Einlaß- und Auslaßdrücke des anderen Mediums und infolge der Unterschiede in den von den Dichtungen umschlossenen Flächen im wesentlichen durch eine entgegengesetzte auf die Matrix einwirkende Kraft ausgeglichen wird, die auf dem Druck des einen Mediums und dem Unterschied in den Flächen beruht, die die von den Dichtungen umschlossenen Flächen umgeben.

Es kann eine zusätzliche Dichtung vorgesehen sein, die die Auslaßfläche und den Weg des einen Mediums durch das Gehäuse festlegt, nachdem dieses durch die Matrix hindurchgetreten ist.

Das eine Medium kann das kältere Medium sein, während das andere Medium das heißere Medium ist.

Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung in Form eines umlaufenden Wärmeübertragers für ein Gasturbinentriebwerk bei-

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spielsweise dargestellt und wird im folgenden im einzelnen erläutert.

Figur 1 ist ein schematischer Axialschnitt durch die Matrix des Wärmeübertragers und die zugehörigen Dichtungen, wobei die Drücke angegeben sind, die auf die verschiedenen Teile der Stirnflächen der Matrix wirken.

Figur 2 ist eine Draufsicht auf die Matrix in Richtung des Pfeiles II in Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Ansicht der Matrix von unten in Richtung des Pfeiles III der Figur 1·

Figur 4 und 5 sind Axialschnitte durch die Matrix und die zugehörigen Dichtungen und durch das Gehäuse, und zwar links und rechts der Drehachse der Matrix, wobei diese Figuren in einem wesentlichen größeren Maßstab als Figur 1 gezeichnet sind.

Nach den Figuren 4 und 5 weist der Wärmeübertrager ein Gehäuse auf, dae im wesentlichen in der Draufsicht kreisförmige Gestalt besitzt und eine Spindel 2 trägt, auf der die Matrix 3 drehbar ist. Die Matrix besitzt die Gestalt einer ebenen Scheibe und ist vorzugsweise aus einem keramischen oder einem ähnlichen Material hergestellt, wie beispielsweise Siliziumnitrid. Die Matrix 3 besitzt innen- und außenliegende Umfangsteile 4- bzw. 5, die nicht

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porös sind sowie einen dazwischenliegenden, ringförmigen Abschnitt 6, der mit Wärmeübertragungskanälen oder -poren versehen ist, die im wesentlichen parallel zur Achse der Matrix verlaufen. Die Matrix wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Kitzels in Drehung versetzt, das in einen gezahnten Eing 7 über ein radial nachgiebiges Antriebsteil 8 eingreift, welches eine relative radiale Expansion und Kontraktion zwischen dem Ring 7 und der Matrix 3 zuläßt» Das Antriebsglied 8 kann von beliebiger Art sein und beispielsweise durch ein spiralförmig aufgewickeltes Federblech oder ein gewelltes Federblech dargestellt sein.

Das Gehäuse trägt drei im wesentlichen sektorförmig ausgebildete Balgendichtungen 9, 10 und 11 (Figur 2 und 3), die ebene Dichtstreifen 12, 13 und 14- entsprechender Gestalt tragen. Die Dichtstreifen stehen gleitend in Eingriff mit Stirnflächen 15 und 18 der Matrix. Die Dichtung 9 umschließt einen Bereich 16 innerhalb des Gehäuses und einen entsprechenden Bereich der Stirnfläche 15, der mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Die Dichtung 10 umschließt einen Bereich 17 innerhalb des Gehäuses sowie einen entsprechenden Bereich der Stirnfläche 18 der Matrix. Der Bereich

17 steht mit dem Auslaßende einer Turbine des Gasturbinentriebwerks in Verbindung. Die Dichtung 11 umschließt einen Bereich 19 innerhalb des Gehäuses und einen entsprechenden Bereich der Stirnfläche 18 der Matrix. Dieser Bereich 19 führt zu einer Brennkammer des Triebwerks. Die übrigen Teile der Stirnflächen 15 und

18 der Matrix stehen mit einem inneren Bereich 20 des Gehäuses in Verbindung, dem Druckluft von einem Verdichter des Triebwerks zugeführt wird. Die Druckluft wird daher in den Bereich 20 eingeleitet, während die heißen Gase aus der Turbine in den Bereich 17 geleitet werden. Wenn die Matrix umläuft, tritt Luft durch die Wärmeübertragungskanäle im Abschnitt 6 der Matrix, der in Figur 5 dargestellt ist, hindurch und gelangt in den Bereich 19·

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Gleichzeitig treten die heißen Gase durch. Wärmeübertragungskanäle im Abschnitt 6 der Matrix, der in Figur 4 veranschaulicht ist, hindurch und gelangen in den Bereich 16. Auf diese Weise wird die Matrix durch die heißen Gase aufgeheizt und überträgt Wärme an die Druckluft.

Nach Figur 1 ist auf der linken Seite des Gehäuses der Druck P17 der Gase, die von der Turbine geliefert werden, d.h. der Druck im Bereich 17» der von der Dichtung 10 umschlossen wird, größer als der Atmosphärendruck FI6 im Bereich 16, der von der Dichtung 9 umschlossen wird. Daher würde sich dann, wenn die Dichtungen 9 und 10 sowie die Dichtstreifen 12 und 13 von gleicher, Form und Größe sind, wie es bei bekannten umlaufenden Regenerativwärmeübertragern der Fall ist, ein nach unten gerichteter Schub auf die Matrix einstellen. Da außerdem der Verdichterförderdruck P20 im Bereich 20, der auf der rechten Seite der Matrix von unten gegen die Unterseite wirkt, höher ist als der Druck P19 im Bereich 19» der von der Dichtung 11 umschlossen wird, würde ein Kippen der Matrix um die Spindel 2 die Folge sein. Die vorherrschende Belastung ist die erstgenannte, und es ist das Ziel der Erfindung, die Gefahr des Yerschleisses und der Beschädigung der Matrix zu verringern. Wenn die Matrix aus einem keramischen oder ähnlichen Material wie beispielsweise Siliziumnitrid hergestellt ist, ist dies von wesentlicher Bedeutung.

Gemäß der Erfindung ist nun der Bereich, der vom Dichtstreifen 13 der Dichtung 10 umschlossen und dem Druck P17 des von der Turbine gelieferten Gases ausgesetzt ist, größer ausgebildet als der Bereich, der vom Dichtstreifen 12 der Dichtung 9 «usehlossen ist.

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Weiterhin ist die wirksame Fläche der oberen Stirnfläche 18 der Matrix außerhalb der Dichtung 13» die dem Einlaßdruck P 20 der Druckluft ausgesetzt ist, innen im Gehäuse 1 kleiner ausgebildet als der entsprechende Teil der unteren Stirnfläche 15· Dieses wird dadurch erreicht, daß der Radius des Sektors der Dichtung 10 größer als der der Dichtung 9 ausgebildet und dadurch, die Umfangsteile des Balgens der Dichtung 10 und der Dichtstreifen 13 enger an den Außendurchmesser der Matrixscheibe heranbewegt werden. Das läßt sich durch einen Vergleich der Figuren 2 und 3 erkennen, in denen der Radius des Sektors der Dichtung 10 den Wert "R+X" und der Radius des Sektors der Dichtung 9 den Wert "R" aufweist. Bin Wert für "X" wird weiter unten noch berechnet. Der Druck P17 der heißen Gase im Bereich 17 ist größer als der Druck Pi6 im Bereich 16, und da der von der Dichtung 10 umschlossene Bereich größer ist als der von der Dichtung 9 umschlossene Bereich, ergibt sich eine resultierende, nach unten gerichtete Kraft infolge der in den Bereichen 17 und 16 befindlichen heißen Gase, die auf die Matrix einwirkt. Weiterhin stellt sich eine resultierende, nach oben auf die Matrix einwirkende Kraft infolge des Drucks P20 der Druckluft innerhalb des Gehäuses ein, der auf die gesamten Stirnflächen der Matrix mit Ausnahme der Flächen innerhalb der Dichtstreifen 12, 13 und 14 einwirkt. Durch geeignete Dimension!erung der Dichtstreifen 12 und 13 kann, die durch die Druckluft sich ergebende resultierende, nach oben gerichtete Kraft im wesentlichen der resultierenden, nach unten gerichteten Kraft durch die heißen Gase in den Bereichen 16 und 17 gleich gemacht werden, wodurch Spannungen innerhalb der Matrix vermindert und auch Abnutzungen an den Dichtungen infolge nicht ausgeglichenen Stirnflächenschubs auf die Matrix vermieden werden können. Außerdem kann durch eine geeignete Dimensionierung der Dichtstreifen ein Kippen der Matrix um die Welle 2 verhindert werden.

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Es folgt jetzt ein Zahlenbeispiel, das eine Differenz der Radien "X" zwischen den Dichtungen 10 und 9 angibt, welche zu einem Gleichgewicht auf der linken Seite der Drehachse in senkrechter Richtung führt. Die Druckdifferenz zwischen den Bereichen 17 ^: und 16 beträgt 0,028 kp/cm , die entsprechende Fläche der Dich-

tung 17 soll 1860 cm betragen. Daher beträgt der auf die Matrix nach unten einwirkende Schub 1860.0,028 = 52 kp.

Die Umfangslänge der Dichtung 10 sei 132 cm; weiterhin wird als

Druck im Bereich 20 3,16 kp/cm angenommen. Daher muß zum Erzielen eines Gleichgewichts in senkrechter Richtung die nach unten gerichtete resultierende Kraft aus den Differenzdrücken P17 und PI6 und aus der Flächendifferenz der Dichtungen 17 und 16 gleich sein der resultierenden nach oben gerichteten Kraft infolge des Drucks P20, der außerhalb der Dichtungen 17 und 16 wirkt. Die Flächendifferenz zwischen den Dichtungen 9 und 10

muß also 52/3,16 = 16,5 cm betragen.

Damit ergibt sich eine Radiusdifferenz X = 16,5/132 - 0,125 cm.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine Matrix, die einen nicht porösen Randteil 4 und einen nicht porösen Nabenteil 5 besitzt. Wenn der poröse Teil der Matrix sich bis zum Umfang der Matrix erstreckt, müssen die Kanäle der Matrix, die nicht an beiden Enden des Gasweges offen sind, die an beiden Enden des Luftweges offen sind, oder die an beiden Enden durch die Dichtstreifen 12 und 13 abgedichtet sind, abgesperrt werden, um ein Durchlecken von Gas durch die Matrix zu verhindern. Andererseits können die Kanäle in axialer Richtung in der Weise geneigt angeordnet sein, daß sie an beiden Enden zum Gasweg hin offen sind,

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an beiden Enden zum Luftweg Mn offen sind, oder an beiden Enden durch die Dichtstreifen 12 und 13 abgedichtet sind.

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Claims

Patentansprüche

( 1.jUmIaufender Kegenerativwärmeübertrager mit einer umlaufenden ^—' Matrix und Dichtungen, die an Einlaß- und Auslaßflächen der Matrix anliegen und Bereiche dieser Flächen festlegen, durch die Medien, zwischen denen Wärme übertragen werden soll, hindurchgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und die Auslaßdichtung (9, 10), die einen Weg für das eine oder andere der Medien festlegen, entsprechende Bereiche (16, 17) der Einlaß- und Auslaßflächen der Matrix (6) umschließen, die unterschiedliche Größe besitzen, so daß die Größe der resultierenden, auf die Matrix einwirkenden Axialkraft verringert wird.

Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (6) innerhalb eines Gehäuses (1) angeordnet ist, das einen Einlaß für eines der Medien, zwischen denen Wärme übertragen werden soll, aufweist, so daß die gesamten Einlaß- und Auslaßflächen der Matrix mit Ausnahme der innerhalb der Einlaß- und der Auslaßdichtung gelegenen Flächen dem Einlaßdruck des einen Mediums ausgesetzt sind, und daß an der Matrix (6) zwei Dichtungen (10, 9) angreifen, die Bereiche der Einlaß- bzw. der Auslaßfläche der Matrix umschließen und einen Strömungweg für das andere Medium durch das Gehäuse und durch die Matrix festlegen, wobei die von der Auslaßdichtung (9) umschlossene Oberfläche der Matrix kleiner als die von der Einlaßdichtung (10) umschlossene Fläche ist und die die von der Auslaßdichtung umschlossene Fläche umgebende Oberfläche der Matrix größemst als die die von der Einlaßdichtung umschlossene Fläche umgebende Oberfläche, so daß der auf die Matrix einwirkende Schub infolge d©r Einlaß- und Auslaßdrücke

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des anderen Mediums und infolge der Unterschiede in den von den Dichtungen umschlossenen Flächen im wesentlichen durch eine entgegengesetzte auf die Matrix einwirkende Kraft ausgeglichen wird, die auf dem Druck des einen Mediums und dem Unterschied in den Flächen beruht, die die von den Dichtungen umschlossenen Flächen umgeben.

Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (10, 9) sektorfÖrmige Gestalt besitzen, und daß die Einlaßdichtung für das andere Medium dadurch einen größeren Bereich als die Auslaßdichtung (9) für das andere Medium umschließt, daß der Umfangsteil der Einlaßdichtung (10) einen größeren Radius aufweist als der Umfangsteil der Auslaßdichtung (10).

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Dichtung (11) vorgesehen ist, die die Auslaßfläche und den Weg durch das Gehäuse für das eine Medium festlegt, nachdem dieses durch die Matrix hindurchgetreten istο

5. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Medium das kältere Medium und das andere Medium das heißere Medium ist.

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