DE2040680B2 - HEAT EXCHANGER FOR GAS TURBINES - Google Patents
HEAT EXCHANGER FOR GAS TURBINESInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher s5 für Gasturbinen mit einem rotierenden Kern aus einem eine Vielzahl von axialen Gaskanälen aufweisenden, hitzebeständigen, keramischen Material, der in seinem mittleren Bereich an zumindest einer Seite hohen Temperaturen und in seinem den mittleren Bereich w> umgebenden Randbereich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist, wobei der Kern an seinem Umfang mit einer Anzahl von Nuten versehen ist und in den Nuten (z. B. linsenförmige) Einlagen angeordnet sind.The invention relates to a heat exchanger s5 for gas turbines with a rotating core made of a plurality of axial gas channels having, Heat-resistant, ceramic material, which is high in its middle area on at least one side Temperatures and in its edge area surrounding the central area w> lower temperatures is exposed, the core being provided with a number of grooves on its periphery and in the grooves (z. B. lenticular) inserts are arranged.
Wärmetauscher der eingangs genannten Art sind z. B. h·, bereits aus der US-PS 34 01 741 bekannt. Bei diesen bekannten Wärmetauschern sind die am Kern in den an seinem Umfang verteilten Nuten angeordneten linsenförmigen Einlagen über einen Kitt befestigt, der Sfzeitig zur Abdichtung des äußeren Umfanges des Kernes verwendet wird. An diesen linsenförmigen Einlagen greifen metallische Clips eines am Umfang des Kernes angreifenden mechanischen Antr.ebssystems an. Obwohl diese am Umfang des Kernes angeordneten linsenförmigen Einlagen die bei früheren, geschlossenen Ringanordnungen für das Antriebssystem auftretenden Schwierigkeiten durch Spannungsrisse vermeiden sollten wurde dieses Ziel nicht vollständig erreichtHeat exchangers of the type mentioned are z. B. h ·, already known from US-PS 34 01 741. In these known heat exchangers, the lens-shaped inserts arranged on the core in the grooves distributed around its circumference are fastened by means of a cement which is used to seal the outer circumference of the core. Metallic clips of a mechanical drive system engaging the periphery of the core grip these lenticular inserts. Although these lenticular inlays arranged on the circumference of the core were intended to avoid the difficulties caused by stress cracks in previous closed ring arrangements for the drive system, this aim has not been fully achieved
Bei einer eingehenden Untersuchung des Problems der Spannungsrisse wurde festgestellt daß die Spannungsrisse im Kern nicht durch die Anordnung des Antriebssystems, sondern vielmehr durch die thermisch bedingten Spannungen im Kern selbst verursach, wurden. Die sorgfältige Erforschung ergab, daß der mittlere Bereich des Kernes eine hohe Temperatur erreichte, die 7O5°C überstieg, während der den mittleren Bereich umgebende Randbereich der den niedrigeren Temperaturen der vom Kompressor kommenden Gasströme ausgesetzt war, nur eine Temperatur von 232°C erreichte. Obwohl die thermische Ausdehnung von keramischem Material theoretisch vernachlässigbar klein ist, führten die beachtlichen Temperaturunterschiede zu einer stärkeren Ausdehnung des inneren Bereiches des Kernes, wodurch in den diesen umgebenden Randbereich des Kernes Zugspannungen auftraten, die dann fallweise zu Spannungsrissen am Kern führten.When the problem of the stress cracking was examined in detail, it was found that the stress cracking essentially not through the arrangement of the drive system, but rather through the thermal induced tension in the core itself. Careful research showed that the The central region of the core reached a high temperature, exceeding 705 ° C, during which the edge area surrounding the middle area of the lower temperatures coming from the compressor Was exposed to gas streams, only reached a temperature of 232 ° C. Although the thermal Expansion of ceramic material is theoretically negligibly small, resulted in the considerable Temperature differences lead to a greater expansion of the inner area of the core, whereby in the Tensile stresses occurred in this surrounding edge area of the core, which then occasionally lead to stress cracks led to the core.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art derart zu verbessern daß die auftretenden Zugspannungen im Randbereich des Kernes durch entgegenwirkende Ausdehnungskräfte ausgeglichen werden.The object of the invention is therefore to provide a To improve heat exchangers of the type mentioned in such a way that the tensile stresses occurring in the Edge area of the core can be compensated by counteracting expansion forces.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelost, indem die in den Nuten am Umfang des Kernes angeordneten Einlagen oder deren Befestigungskitt aus einem Material mit einem solch hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, daß die Ausdehnungskräfte dieses Materials den im Randbereich des Kernes auftretenden Zugspannungen entgegengesetzt sind.According to the invention this object is achieved by the in the grooves on the periphery of the core arranged inserts or their fastening putty made of a material with such a high coefficient of thermal expansion exist that the expansion forces of this material are those in the edge area of the core occurring tensile stresses are opposite.
Durch die gemäß der Erfindung aus einem Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellten Einlagen bzw. der Befestigung von herkömmlichen Einlagen mit einem Befestigungskitt mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten bzw. durch die Kombination dieser beiden Maßnahmen, können auf einfache Weise, ohne Änderungen am herkömmlichen Aufbau des Wärmetauschers im Randbereich des Kernes auftretende Zugspannungen jederzeit beherrscht bzw. ausgeglichen werden.By according to the invention from a material with a high coefficient of thermal expansion produced deposits or the attachment of conventional deposits with a fastening putty with high coefficient of thermal expansion or a combination of these two measures, can on simple way, without changes to the conventional structure of the heat exchanger in the edge area of the Tensile stresses occurring at the core can be controlled or compensated for at any time.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment shown in the drawing.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen Kernes eines Wärmetauschers, an dessen Umfang eine Anzahl von linsenförmigen Einlagen befestigt ist;Fig. 1 shows a perspective view of a disk-shaped core of a heat exchanger the periphery of which is attached a number of lenticular inserts;
F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teiles des scheibenförmigen Kernes, aus der die Art der Befestigung der Einlagen zu ersehen ist.F i g. Fig. 2 shows a perspective view of part of the disc-shaped core from which the type of Attachment of the deposits can be seen.
In den Figuren ist der scheibenförmige Kern aus keramischem Material mit 10 bezeichnet. Der Kern besitzt eine feste keramische Nabe 12, die von einem :„„Un— \An*nr'%n\ ΐ Λ limfTpKpn I S t .H 3 C ΓΠ ί t PJnfTThe disk-shaped core made of ceramic material is designated by 10 in the figures. The core has a fixed ceramic hub 12, which is supported by a: "" U n - \ A n * nr '% n \ ΐ Λ limfTpKpn IS t .H 3 C ΓΠ ί t PJnfT
1113HlCIl lilQll.ll«! «» ,j...ö~L·-.. , -1 1113HlCIl lilQll.ll «! «», J ... ö ~ L · - .., -1
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Vielzahl von axialen Gaskanälen versehen ist. Dieses poröse Material 14 erstreckt sich bis zum äußeren Umfang des Kernes 10. Im in eine Gasturbine eingebauten Zustand ist die eine Seite 15 des KernesPlurality of axial gas channels is provided. This porous material 14 extends to the outside Perimeter of the core 10. When installed in a gas turbine, one side 15 is the core
den heißer, Gasströmen ausgesetzt, die von den Arbeitsrädern der Gasturbine kommen, und diese Seite und der sich ihr axial anschließende Teil arbeiten bei einer höheren Betriebstemperatur als der übrige Kern 10.exposed to the hotter, streams of gas emitted by the The working wheels of the gas turbine come, and this side and the axially adjoining part work at it a higher operating temperature than the rest of the core 10.
Eine Anzahl von Nuten 16 ist in Abständer, am äußeren Umfang des Kernes 10 angeordnet. Die Nuten 16 verlaufen im wesentlichen parallel zur Drehachse des Kernes 10. !n jeder Nut 16 ist eine feste, keramische, linsenförmige Einlage 18 angeordnet. Beide, die Nut 16 und die Einlage 18, weisen im einander zugewandten Bereich einen halbzylindrischen Umfangsteil auf.A number of grooves 16 are in spacers, on outer periphery of the core 10 is arranged. The grooves 16 run essentially parallel to the axis of rotation of the Core 10. A solid, ceramic, lens-shaped insert 18 is arranged in each groove 16. Both, the groove 16 and the insert 18 have a semi-cylindrical peripheral part in the area facing one another.
Die Einlagen 18 sind in den Nuten 16 mittels zweier verschiedener Arten 20 und 22 eines Kittes befestigt. Der Kitt 20 ist schaumförmiger, anorganischer Art, und sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist im wesentlichen gleich dem des porösen Materials 14 des Kernes 10.The inserts 18 are secured in the grooves 16 by means of two different types 20 and 22 of cement. The putty 20 is of a foam-like, inorganic type, and its coefficient of thermal expansion is substantial equal to that of the porous material 14 of the core 10.
Ein typischer schaumartiger Kitt, wie er für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, kann im I landel bezogen werden. Dieser Kitt 20 ist zwischen den zylindrischen Flächen einer jeden Einlage 18 und den Nuten 16 angeordnet, wobei er in einem von der heißen Seile 15 des Kernes 10 ausgehenden geringen axialen Bereich nur an der inneren Fläche 21 angeordnet ist.A typical foam-like putty like the one used for them The present invention can be used, can be obtained locally. This putty 20 is between the cylindrical surfaces of each insert 18 and the grooves 16, being in one of the hot Ropes 15 of the core 10 starting from the small axial area is only arranged on the inner surface 21.
Der Kitt 22 hingegen besteht aus einem Material, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der des Materials 14 des Kernes 10 besitzt. Ein typischer Kitt mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten enthält Mullite in Natriumsilikat und kann im Handel bezogen werden. Der Kitt 22 wird zwischen den Einlagen 18 und den Nuten 16 an beiden Seiten der inneren Fläche 21 angeordnet. Die Einlagen 18 können mit einem ringförmigen Antriebsring zum Antrieb des Kernes 10 verbunden sein, wie dies z. B. aus der US-PS 34 01 741 zu entnehmen ist.The cement 22, however, consists of a material that has a greater coefficient of thermal expansion than that of the material 14 of the core 10 has. A typical putty with a high coefficient of thermal expansion contains Mullite in sodium silicate and can be obtained commercially. The cement 22 is between the Inlays 18 and the grooves 16 are arranged on both sides of the inner surface 21. The deposits 18 can be connected to an annular drive ring for driving the core 10, as z. B. from US-PS 34 01 741 can be found.
Bei einem typischen Wärmetauscher mit scheibenförmigem Kern, der einen Durchmesser von etwa 71 cm und eine axiale Dicke von ca. 10 cm aufweist, haben die linsenförmigen Einlagen 18 etwa einen Radius von 2,5 cm Der Kitt 20 und Kitt 22 werden in Schichten aufgetragen, die nach dem Erhärten eine Dicke von etwa 2,5 mm ergeben. Der Kitt 22 ist im wesentlichen entlang den letzten radial äußeren 12 mm und in einem axialen Bereich von etwa 25 bis 50 mm zwischen den Bolzen 18 und den Nuten 16 im Kern 10 angeordnet.For a typical heat exchanger with a disc-shaped core that is about 71 cm in diameter and has an axial thickness of about 10 cm, the lenticular inserts 18 have a radius of about 2.5 cm The putty 20 and putty 22 are applied in layers which, after hardening, have a thickness of about 2.5 mm. The putty 22 is substantially along the last radially outer 12 mm and in one axial area of about 25 to 50 mm between the bolts 18 and the grooves 16 in the core 10.
Im Betrieb der Gasturbine erhitzen die heißen Gasströme, die durch den mittleren Bereich des Kernes 10 von der Seite 15 her axial durchströmen, diesen auf eine Temperatur von über 7O5°C. Der den mittleren Bereich umgebende Randbereich des Kernes 10 ist den verhältnismäßig kühleren Gasströmen ausgesetzt, die den Kompressor verlassen, und .irbeitet daher bei einer Temperatur von etwa 232° C.During operation of the gas turbine, the hot gas flows heat up through the central area of the core 10 flow axially through from side 15, this to a temperature of over 705 ° C. The middle one The area surrounding the edge area of the core 10 is exposed to the relatively cooler gas flows which leave the compressor and will therefore work with a Temperature of about 232 ° C.
Sobald die Temperatur des Kittes 22 auf die Betriebstemperatur der Gasturbine steigt, üben die durch den hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen Ausdehnungskräfte auf das Material 14 des Kernes IO Druckkräfte in Richtung der Pfeile 24 aus, die die Zugspannungen im Randbereich und damit die Gefahr von Spannungsrissen vermindern. Der Kitt 20 dehnt sich nicht in dem gleichen Maß aus wie der Kitt 22 und sorgt für eine sichere Befestigung der Einlage 18 in den Nuten 16 des Kernes 10.As soon as the temperature of the cement 22 rises to the operating temperature of the gas turbine, the practice Expansion forces on the material caused by the high coefficient of thermal expansion 14 of the core IO compressive forces in the direction of the arrows 24, the tensile stresses in the edge area and thus reduce the risk of stress cracks. The putty 20 does not expand to the same extent as the putty 22 and ensures that the insert 18 is securely fastened in the grooves 16 of the core 10.
Falls erforderlich, kann der Kitt 22 entlang der gesamten axialen Dicke des Kernes 10 zu beiden Seiten des an der mittleren Fläche befindlichen Kittes 20If necessary, the cement 22 can along the entire axial thickness of the core 10 on both sides of the cement 20 located on the central surface
ίο angeordnet werden. In einigen besonderen Fällen kann auch ausschließlich der Kitt 22 verwendet werden. Die Nuten 16 können aber auch in ihren Abmessungen beträchtlich verringert werden und nur mit einer solchen Kittmasse gefüllt werden, die den gleich hoher, Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der genannte Kitt 22 besitzt. Die Anzahl der Nuten hängt im wesentlichen von der Ausdehnungscharakteristik des Kernes, des Kittes und den Betriebstemperaturen der Gasturbine ab. Einige Versuche reichen im allgemeinen aus, um sowohl die Anzahl als auch die Größe der Nuten für einen bestimmten Anwendungsfall festzulegen. Weiterhin können dünne Streifen eines Materials mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Nuten angeordnet werden. Auch können die Nuten alsίο be ordered. In some special cases it can only the putty 22 can also be used. The grooves 16 can, however, also in terms of their dimensions can be considerably reduced and only be filled with such a putty mass that the same high, Has thermal expansion coefficients like the aforementioned cement 22. The number of grooves essentially depends on the expansion characteristics of the core, the cement and the operating temperatures of the gas turbine away. A few attempts are generally sufficient to determine both the number and the size of the grooves for define a specific use case. Furthermore, thin strips of a material with a high coefficient of thermal expansion are arranged in the grooves. The grooves can also be used as
2S gezackte Schlitze ausgebildet werden, die am Umfang des Kernes von der heißen Seite 15 ausgehend einen kurzen axialen Betrag in den Kern einragen und mit Material, mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, gefüllt sind.2S serrated slots are formed on the circumference of the core from the hot side 15 protrude a short axial amount into the core and with Material, with a high coefficient of thermal expansion, are filled.
Der Kitt mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten hat vorzugsweise einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Temperaturbereich bis zur Betriebstemperatur der Gasturbine (im allgemeinen etwa 232°C)und einen geringeren Wärmeausdehnungs-The putty having a high coefficient of thermal expansion preferably has a higher coefficient of thermal expansion in the temperature range up to the operating temperature of the gas turbine (generally about 232 ° C) and a lower thermal expansion
js koeffizienten im Temperaturbereich zwischen der Betriebstemperatur und der höheren Brenntemperatur der beiden Kitte, die im allgemeinen etwa 5400C beträgt. Eine grafische Darstellung der Ausdehnungscharakteristik der beiden Kitte würde somit für den Kitt js coefficient in the temperature range between the operating temperature and the higher internal temperature of the two cements, which is generally about 540 0 C. A graphic representation of the expansion characteristics of the two putties would thus be for the putty
κι mit hohem Ausdehnungskoeffizienten eine Ausdehnungskurve zeigen, die bis zur Betriebstemperatur von etwa 232°C stark ansteigt, und dann abfällt und sich der Ausdehnungskurve des anderen Kittes nähert oder diese kreuzt.κι an expansion curve with a high expansion coefficient show, which rises sharply up to the operating temperature of about 232 ° C, and then falls and the Approaching or crossing the expansion curve of the other cement.
υ Der Kitt auf Mullite- und Natriumsilikatbasis, der oben erwähnt wurde, besitzt eine solche Charakteristik. Diese Anordnung ermöglicht es, den Kern zusammen mit den Einlagen 18 zu brennen, ohne hierdurch übermäßige Spannungen in den Verbindungen zwischenυ The mullite and sodium silicate based putty that mentioned above has such a characteristic. This arrangement allows the core to be put together to burn with the inlays 18 without excessive tension in the connections between
V) den Bolzen und dem Kern zu erzeugen.V) to produce the bolt and the core.
Die vorliegende Erfindung soll einen Wärmetauscher für Gasturbinen schaffen, der eine verbesserte physikalische Beschaffenheit und eine längere Standzeit, auch bei hohen Betriebstemperaturen, besitzt. Darüber hinausThe present invention seeks to provide a heat exchanger for gas turbines which has an improved physical Quality and a longer service life, even at high operating temperatures. Furthermore
-,) kann ein am Umfang des scheibenförmigen Kernes angreifendes Antriebssystem mit einem Minimum an Aufwand verwirklicht werden.-,) can be on the circumference of the disk-shaped core attacking drive system can be implemented with a minimum of effort.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungt 111 sheet of drawing 11
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