DE2153584C3 - Regenerativ-Wärmetauscher für Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regenerativ-Wärmetauscher für Gasturbinen mit einer umlaufenden scheibenförmigen Matrix, welche eine zentrale öffnung aufweist, durch die eine Weile geführt ist, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der öffnung und die über federnde Elemente mit der Matrix verbunden ist.

Es ist ein Wärmetauscher dieser Art bekannt (FR-PS 14 83 413), bei dem die Matrix eine glaskeramische Nabe aufweist, die über die Federelemente an der Welle abgestützt ist. Hierzu ist an der Drehzahl ein diese umgebendes Mehrkantrohr befestigt, an dem mehrere in Form eines geflochtenen Rings ausgebildete Federn angeordnet sind, die mit einem Ende an dem Mehrkantrohr befestigt sind und mit dem anderen Ende längs ihres Umfangs jeweils in einer offenen Kreisnut der Radnabe anliegen. Mit dieser Stützung der Matrix können zwar radiale Kräfte infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien aufgenommen werden, jedoch nur begrenzt Stöße der von der Welle auf die Matrix übertragenen Antriebskraft, da kaum eine Drehbewegung zwischen Matrix und Welle möglich ist, weil praktisch eine formflüssige Stützung vorliegt. Darüber hinaus sind die federnden Elemente unmittelbar der Wärme der Matrix ausgesetzt, so daß die Gefahr eines Verlustes der Federelauizität besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regenerativ-Warmetauscher der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, bei dem die Übertragung von Stoßen der von der Welle auf die Matrix übertragenen Antriebskraft weitgehend vermieden ist und die federnden Elemente vor zu hoher Erwärmung geschützt sind.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Welle eine Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten mit gleichem Umfangsabstand trägt, in denen verschiebbare Zwischenstücke sitzen, die über am Nutgrund abgestützte Druckfedern gegen die Wand der zentralen öffnung gepreßt sind. Die Verbindung von Welle und Matrix erfolgt somit als Rutschkupplung, so daß wegen der möglichen Relativbewegung zwischen Matrix und Welle Stoßbelastungen sicher aufgefangen werden können. Darüber hinaus schützen die Zwischenstücke die Druckfeder vor unmittelbarer Wärmeübertragung, im übrigen sind die verwendeten Verbindungsteile, d. h. die Zwischenstücke und Druckfedern einfacher und wirtschaftlich herzustellende Elemente, die sich im übrigen schnell und ohne großen Aufwand einbauen lassen.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht — teilweise im Schnitt — einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regenerativ-Wärmetauschers;

F i g. 2 zeigt einen Teilschnitt der Ausführungsform nach F i g. 1;

Fig.3 zeigt einen Teilschnitt nach Linie UI-Hl in Fig. 2;

Fig.4 zeigt eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regenerativ-Wärmetauschers; und

Fig.5 zeigt eine Schnittansicht nach Linie V-V in Fig. 4.

Wie »n üen F i g. 1 bis 3 dargestellt ist, besitzt der erfindungsgemäße Regenerativ-Wärmetauscher eine umlaufende ringförmige Matrix 10, die eine zentrale öffnung 10a aufweist, und eine Welle 11, die durch diese öffnung hindurchgeführt ist. Der Durchmesser dieser öffnung 10a ist etwas größer als der Außendurchmesser der Welle 11, so daß ein ringförmiges Spiel vorliegt. Wie aus Fig.2 und 3 ersichtlich ist, besitzt die Welle 11 in gleichem Umfangsabstand eine Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten 12. Beispielsweise sind drei Nuten 12 vorgesehen, ihre Anzahl kann jedoch in Abhängigkeit von den Betriebserfordernissen variieren. In den Nuten 12 sitzen Zwischenstücke 13, die zur Drehwelle 11 radial gerichtet sind und über am Nutgrund abgestützte Druckfedern 14 gegen die Wand der zentralen öffnung 10a gepreßt sind. Die Matrix 10 wird auf diese Weise auf der Welle 11 federnd gestützt. Die Matrix 10, die Welle 11 und die Zwischenstücke 13 drehen sich gemeinsam durch die Reibungskräfte, die zwischen den Außenenden der Zwischenstücke und dem Innenumfang der zentralen öffnung 10a ausgeübt werden.

Die Zwischenstücke 13 können vorzugsweise aus Kohle bestehen.

Die Matrix 10 wird zur gemeinsamen Umdrehung mit der Welle 11 durch diese selbst oder durch ein Ringzahnrad mit Außenverzahnung angetrieben, das mit dem Außenumfang der Matrix in Arbeitseingriff steht und von einer geeigneten Antriebseinrichtung angetrieben wird. Werden be>m Betrieb durch eine auf die Matrix 10 zu übertragende Antriebskraft mechanische Stöße hervorgerufen, so werden diese Stöße von den Druckfedern 14 absorbiert, so daß die Matrix unabhängig davon, wie die Stöße ausgeübt werden, vor diesen Stößen bewahrt werden kann.

Die Zwischenstücke lassen sich in den Nuten 12 verschieben und ermöglichen der Matrix eine Relativbewegung zur Welle, so daß sowohl radiale als auch in Drehrichtung auftretende Stöße aufgefangen werden können.

Fig.4 und 5 veranschaulichen nun eine zweite vorzugsweise gewählte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regenerators, bei der der Wärmesamm-

ler nicht nur vor Stößen geschützt wird sondern die Lager und Druckfedern vor Wärme geschützt werden, die sonst von dem Betrieb durch den Wärmesammler hindurchgeführten Turbinenabgasen darauf übertragen werden würde.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 und 5 wird die Matrix 10 von einem äußeren Ringzahnrad (nicht gezeigt) angetrieben, das mit dem Außenumfang der Matrix 10 in Arbeitseingriff steht, während die Welle U über Lager 15 und 15' — Fig.5 — auf einem stationären Träger (nicht gezeigt) der zugeordneten Turbine drehbar gestützt wird.

Gemäß Darstellung besitzt der Wärmetauscher ein Paar Dichtungen 16 und 16', die sich in Gleitberührung mit beiden Seiten der Matrix 10 befinden. Diese Dichtungen 16 und 16' sind an sich bekannt und begrenzen die Wege der beiden — kalt und heiß — durch den Wärmesammler geführten Ströme. In der gezeigten Ausführungsform besitzen die Dichtungen 16 und 16' Trenndichtungen 16a bzw. 16'a, die von der Mitte der Matrix 10 ausgehen, so daß die Welle 11 in dem Luftstrom vom zugeordneten Kompressor liegt. Mit der Bezugsziffer 17 ist eine Trennplatte bezeichnet, die die Wege der einströmenden kalten Luft und der ausströmenden heißen Turbinenabgase trennt. Im Bedarfsfall kann die Welle U hohl sein, um einen 1 nnenkanal 11 a zu bilden, der von einem Ende der Welle zum anderen verläuft, wodurch die einströmende Luft zur konstanten Innenkühlung der Welle durch diese hindurchgeführt wird.

Wenn die Matrix'10 zusammen mit der Welle 11 mit einer bestimmten Geschwindigkeit, z. B. etwa 30 Upm, gedreht wird, wird die einströmende Luft von dem Kompressor in Richtung des Pfeils A zur Matrix 10 gesandt und verläßt diesen in Richtung des Pfeils A', wie 3s in F i g. 5 gezeigt ist. Die ausströmende Luft wird zur Turbine (nicht gezeigt) geführt und als heißes Abgas zurückgeführt. Das einströmende Turbinenabgas tritt in die Matrix in Richtung des Pfeils Bein und wird davon in Richtung des Pfeils B' abgegeben. Die Wärme des Turbinenabgases wird auf die umlaufende Matrix 10 übertragen und von dieser gespeichert. Diese Wärme, die die Matrix in einer gegebenen Winkellage gegenüber der Dichtung 16 aufgenommen hat, wird weitestgehend zur Erwärmung der kalten Luft konsumiert, wenn die Matrix 10 in eine diametral gegenüberliegende Winkellage gedreht wird, in der sie Luft empfängt, die von dem Kompressor zugeführt wird.

Da die Welle 11 unter dieser Bedingung im Weg der Luft vom Kompressor liegt und mittels der Trenndichtungen 16a und 16'a von dem Weg des heißen Turbinenabgases isoliert ist, wird die Welle nur der Wärme der ausströmenden Luft ausgesetzt, so daß die Lager 15 und 15' und die Druckfeder 14 vor einer zur Beschädigung führenden Aufheizung bewahrt werden. 1st die Welle 11 hohl, damit sie vorteilhafterweise den Kanal 11a bildet, wird zur Innenkühlung der Welle ein Teil der einströmenden Luft diesem Kanal zugeführt, wie dies mit dem Pfeil Cgezeigt ist. Die den Kanal Ha in Richtung des Pfeils C verlassende Luft wird zusammen mit der in Richtung des Pfeils A' geführten Luft zur Brennkammer (nicht gezeigt) geführt und als Turbinenabgas der Matrix 10 zugeführt, wie dies mit dem Pfeil B gezeigt ist. Dabei wird die Luft in dem Kanal Ha mittels einer Antriebskraft befördert, die sich aus der Differenz zwischen den Luftdrücken am Einlaß und Auslaß des Kanals 11a aufgrund des Druckabfalls der ausströmenden Luft ergibt. Die Welle 11 wird somit durch die kalte Luft von innen wirksam gekühlt, so daß die Federn 14 und die Lager 15 und 15' vor übermäßiger Erwärmung bewahrt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Regenerativ-Wärmetauscher for Gasturbinen mit einer umlaufenden scheibenförmigen Matrix, weiche eine zentrale Öffnung aufweist, durch die eine Welle geführt ist, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der öffnung und die über federnde Elemente mit der Matrix verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (11) eine Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten (12) mit gleichem Umfangsabstand trägt, in denen verschiebbare Zwischenstücke (13) sitzen, die über am Nutengrund abgestützte Druckfedern (14) gegen die Wand der zentralen öffnung (10a) gepreßt sind. IS

2. Regenerativ-Wärmetauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale öffnung (10a) in dem Weg der durch die Matrix (10) geführten Luft liegt.

3. Regenerativ-Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (11) einen Kanal (Ha) zum Durchströmen eines Teiles der Luft aufweist.