DE2040774A1

DE2040774A1 - Waermeaustauscher fuer Gasturbinen und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE2040774A1
Application number: DE19702040774
Authority: DE
Inventors: Cassidy Donald J
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1970-08-17
Publication date: 1971-03-11
Also published as: US3576208A; GB1242987A

Description

Z/DR-2 Sp uk

Patentanme!dung

Wärmeaustauscher für Gasturbinen und Verfahren zur Herstellung desselben

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher für Gasturbinen mit einem rotierenden Kern aus einem, eine Vielzahl von Gaskanälen aufweisenden, hitzebestä'ndigen Material, der mit einem Randbereich an einer feststehenden Dichtfläche in der Gasturbine gleitet und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Die Wirtschaftlichkeit einer Gasturbine erhöht sich proportional der Temperatur der arbeitenden Gasströme* Neue Materialien, wie z. B. hochwarmfeste Metalle und Keramiken wurden für die Herstellung rotierender Wärmeaustauscher der Trommel- oder Scheibenbauart für solche hohen Betriebstemperaturen entwickelt. Schwierigkeiten sind Jedoch hierbei bei der Verringerung des Verschleisses der aneinander gleitenden Flächen des rotierenden Wärmeaustauschers und den feststehenden Dichtflächen aufgetreten.

Die Aufgabe der Erfindung ist, einen Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auf verhältnismäeeig billig und einfache Weise eine Schmierung der aneinander gleitenden Flächen zwischen dem rotierenden Wärmeaustauscher und der feststehenden Dichtfläche erzielt wird, die sowohl für hohe als auch für niedrige Betriebstemperaturen geeignet ist.

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Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem ein Schmiermittel in den an der feststehenden Dichtfläche gleitenden Gaskanalen derart angeordnet wird, dass es an den Wänden der Gaskanale haftet und diese es bei einem Verschleiss fortschreitend freigeben.

Die Wände der Gaskanale bestehen hierbei aus keramischem Material und das Schmiermittel enthält ein festes hitzebeständiges Material.

Der rotierende Kern ist hierbei scheibenförmig ausgebildet und mit einer ^ Vielzahl von axialen Gaskanalen versehen und die Gaskanale in einem inneren und äusseren Randbereich sind mit dem Schmiermittel versehen.

Das Schmiermittel füllt hierbei die Öffnungen der an der feststehenden Dichtfläche gleitenden Gaskanale im wesentlichen aus.

Das Schmiermittel besteht hierbei aus einer wasserhaltigen, kittartigen Masse aus Zinkoxyd.

Gemäss der Erfindung wird ein solcher Wärmeaustauscher hergestellt, in dem ein Kern mit einer Vielzahl von durch verhältnismässig dünne Wände gebildeten, den gesamten Kernkörper durchsetzenden Gaskanalen hergestellt, ein pumpbares Schmiermittel vorbereitet und in die Öffnungen der an der feststehenden Dichtk fläche gleitenden Gaskanäle hineingedrückt und darin getrocknet wird.

Das in den Gaskanalen angeordnete poröse Zinkoxyd kann hierbei durch wiederholtes Hinzufügen einer Lösung einer Zinkverbindung, die in Zinkoxyd umwandelbar ist, Entfernen des Lösungsmittels durch Trocknen und Umwandeln der Zinkverbindung in Zinkoxyd durch Erhitzen verstärkt werden.

Geeignete Schmiermittel können weiterhin aus Oxyden von Chrom, Lithiumfluoriden, Kalzium, Soda, Kalium, Magnesium usw oder aus Gemischen derselben bestehen. Zinkoxyd wird bevorzugt wegen seiner einfachen Anwendbarkeit und seinen ausgezeichneten Reibungseigenschaften bei hohen Temperaturen In Verbindung mit kermaischem Material.

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Flüssigkeiten zum Vorbereiten der Schmiermittel können so gewählt werden, dass beim Trocknen das Schmiermittel an den Wänden der Gaskanäle haften bleibt. Geeignete Flüssigkeiten sind z. B. Wasser, Alkohol usw.

Der erfindungsgemässe Wärmeaustauscher weist den Vorteil auf, dass, sobald ein Verschleiss an den Gleitflächen auftritt, die Wände der Gaskanäle des Kernes das Schmiermittel freigeben. Bei grosser werdendem Verschleiss wird automatisch ein grösserer Anteil von Schmiermittel freigegeben, bis wieder ein Gleichgewicht zwischen Verschleiss und Schmierung erreicht ist.

Die Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Wärmeaustauscher mit einem scheibenförmigen Kern, dessen Gaskanäle in einem inneren und äusseren Randbereich gemäss der Erfindung mit dem Schmiermittel versehen sind.

Fig. 2 zeigt eine vergrösserte Darstellung eines Teiles des Randbereiches des Kernes nach Fig. 1

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie HI-III in Fig. 1, in dem die Anordnung des Schmiermittels in den Gaskanälen zu erkennen ist.

In den Figuren ist ein scheibenförmiger Kern aus keramischem Material mit 10 bezeichnet. Der Kern 10 ist mit einer Vielzahl von durch verhältnismässig dünne Wände 14 gebildeten Gaskanälen 12 versehen. Der Kern 10 ist mit einer Nabe 16 versehen und die 3askg&äle 12 und die Wände 14 erstrecken sich vom inneren Umfang l8 der Nabe 16 bis an den äusseren Umfang 20.

Der Kern 10 kann nach einem der verschiedenen Verfahren, wie z. B. Aufwickeln von gewellten flachen Keramikstreifen in eine Scheibenform oder Tauchen einer Vielzahl von saugfähigen Stäbchen in einen keramischen Schlamm und Brennen des Schlammes zu einem Bauteil hergestellt werden. Ein Schmiermittel, das die physikalischen Eigenschaften eines Kittes hat, wird durch Vermischen eines hitzebeständigen Materials, wie z. B. Zinkoxyd, mit einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, hergestellt.
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Die kittartige Masse wird nun in schmalen Bändern 22 und 24 auf den inneren und äusseren Randbereich des Kernes 10 aufgebracht. Die Bänder 22 und 24 sind im allgemeinen etwa 12,7 mm breit und besitzen eine Dicke von 0,25 bis 2,5 ran. Eine Spritzpresse kann zum Auftragen dieser Bänder verwendet werden, sie können Jedoch auch falls erforderlich von Hand aus aufgelegt werden. Das Schmiermittel füllt hierbei im allgemeinen die Öffnungen der Gaskanäle 12 aus.

Der Kern 10 mit dem in seinen Randbereichen aufgetragenen Schmiermittel wird nun in einem Ofen gebrannt, um das Dispergiermittel zu entfernen und gleichzeitig das Schmiermittel mit den Wänden 14 der Gaskanäle 12 zu verbinden. Hierbei kann es vorkommen, dass Teile des Schmiermittels über die Wände 14 hinausstehen und durch eine mechanische Bearbeitung oder durch Schleifen entfernt werden müssen.

Der Kern 10 wird hierauf in einer Gasturbine eingebaut, wobei das Band 24 an der Umfangsdichtflache 28 und das Band 22 an der Querträgerdichtfläche 26 anliegt. Die Dichtflächen 26 und 28 sind im Gasturbinengehäuse 30 feststehend angeordnet, so daß der Kern 10 mit seinen Randbereichen an den Dichtflächen entlang gleitet. Die Dichtflächen 26 und 28 sind vorzugsweise aus Materialien hergestellt, die geeignete Reibungs- und Verschleisseigenschaften aufweisen und für die/gleichen Materialien verwendet werden können, wie sie für das Schmiermittel verwendet werden.

Bei Beginn des Betriebes der Oasturbine wird ein anfänglicher Verschleiss der Kanten der Wände 14 des Kernes 10 das zwischen den Wänden haftende Schmiermittel freigeben. Dieses Freigeben des Schmiermittels ermöglicht den Beginn der Schmierwirkung und reduziert den Verschleiss auf einen wirtschaftlich annehmbaren Wert. In dem durch die Bänder 22 und 24 definierten Randbereich am Kern 10 können verschiedene Mengen von Schmiermittel angeordnet werden, um den Verschleiss dieser Randbereiche auf einen gewünschten Wert innerhalb von annehmbaren Grenzen zu halten, die vom Material und von den Betriebsbedingungen gesetzt werden. Die Bänder aus Schmiermittel können an beiden Seiten des Kernes 10 angeordnet werden und bei Bedarf kannfewischen dem äusseren und inneren Band noch ein mittleres Band angeordnet werden.

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Ein verbessertes Verfahren zur Anordnung des Schmiermittels in den Gaskanälen besteht darin, dass die Gaskanäle wie oben beschrieben, mit dem Schmiermittel gefüllt werden und darauf der mit dem Schmiermittel gefüllte Kern bei etwa 65 C getrocknet wird, um das Wasser zu entfernen. Daraufhin wird der mit dem Schmiermittel gefüllte Kern auf etwa 870⁰C erhitzt, um das Zinkoxyd-Schmier-. mittel vorzusintern. Das entstehende Zinkoxyd weist eine verhältnismässig poröse Struktur auf. Eine hochkonzentrierte Lösung einer Zinkverbindung, wie z.B. einer wässrigen Lösung von Zinknitrat wird hierauf auf das Zinkoxyd aufgebracht, das einen Teil dieser Lösung absorbiert. Der Kern wird nun bei etwa 65 C getrocknet, um das Wasser zu entfernen und hierauf auf etwa 650⁰C erhitzt, um das Zinknitrat in Zinkoxyd umzuwandeln. Darauf wird erneut die Lösung aus Zinknitrat auf das Zinkoxyd aufgebracht und der Kern zur Entfernung des Wassers getrocknet und zur Umwandlung des Zinknitrates in Zinkoxyd erhitzt. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis sichergestellt ist, dass eine thermische Ausdehung bei hohen Temperaturen das Zinkoxyd nicht von der keramischen Wänden des Kernes trennt. Dieses Verfahren schafft einen Kern mit mit einem Schmiermittel versehenen Randbereiehen, der auch bei hohen Betriebstemperaturen das Schmiermittel sicher in seiner Lage hält.

Für dieses verbesserte Verfahren können selbstverständlich auch andere lösliche Zinkverbindungen, die in Zinkoxyd umwandelbar sind und sich mit den anderen Materialien des Kernes vertragen, verwendet werden. Ebenso können auch andere Lösungsmittel, wie z. B. Alkohol, Benzol, Toluol usw anstelle von Wasser verwendet werden. Die Behandlung des Zinkoxydes mit einer Zinklösung kann hierbei fünfzehn bis dreissig Mal wiederholt werden, um die gewünschten Eigenschaften für hohe Betriebstemperaturen zu erzielen.

Die vorliegende Erfindung schafft einen selbstschmierenden keramischen Wärmeaustauscher für Gasturbinen, der einfach herzustellen ist und sehr wünschenswerte Relbunga- und Verschlelsseigenschaften besitzt· Ein Versehleiss dee Kernes des Wärmeaustauschers gibt automatisch Schmiermittel an die VerseUeiss-

ein Verfahren flächen ab. Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung /zur Herstellung ©ines selbstschmlereitden keramischen Wärmeaustauschers sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers flir extrem hohe Betriebstemperaturen.

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Claims

Patentansprüche

Wärmeaustauscher für Gasturbinen mit einem rotierenden Kern aus einem eine Vielzahl von Gaskanälen aufweisenden, hitzebeständigen Material, der mit einem Randbereich an einer feststehenden Dichtfläche in der Gasturbine gleitet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmiermittel in den an der feststehenden Dichtfläche (28) gleitenden Gaskanälen (12) derart angeordnet wird, dass es an den Wänden (14) der Gaskanäle (12) haftet und diese es bei einem Verschleiss fortschreitend freigeben.

h 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (14) der Gaskanäle (12) aus keramischem Material bestehen und das Schmiermittel ein festes hitzebeständiges Material enthält.

j}. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Kern (10) scheibenförmig ausgebildet und mit einer Vielzahl von axialen Gaskanälen (12) versehen ist und wobei die Gaskanäle (12) in einem inneren und äusseren Randbereich (22 und 24) mit dem Schmiermittel versehen sind.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichn et, dass das Schmiermittel die Öffnungen der Gaskanäle (12) im wesentlichen ausfüllt.

5. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel aus einer wasserhaltigen, kittartigen Masse aus Zinkoxyd besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kern (10) mit einer Vielzahl von durch verha'ltnismässig dünne Wände (14) gebildeten, den gesamten Kernkörper durchsetzenden Gaskanälen (12) hergestellt, ein pumpbares Schmiermittel vorbereitet und In die Öffnungen der an der feststehenden Dichtfläche gleitenden Oaskanäle (12) hineingedrückt und darin getrocknet wird.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Gaskanälen (12)*angeordnete poröse Zinkoxyd durch wiederholtes Hinzufügen einer Lösung einer Zinkverbindung, die in Zinkoxyd umwandelbar ist, Entfernen des Lösungsmittel durch Trocknen und Umwandeln der Zinkverbindung in Zinkoxyd durch Erhitzen verstärkt wird.

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L e e r s e i t e

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