DE2159978A1

DE2159978A1 - Thermischer Regenerator

Info

Publication number: DE2159978A1
Application number: DE19712159978
Authority: DE
Inventors: Mark Cary Sedgwick Kenilworth; Butler Lawrence Solihull; Warwickshire Barnard (Großbritannien)
Original assignee: Leyland Gas Turbines Ltd
Current assignee: Leyland Gas Turbines Ltd
Priority date: 1970-12-04
Filing date: 1971-12-03
Publication date: 1972-06-29
Also published as: IT951658B; US3780791A; JPS5545836B1; GB1358268A

Description

DlPl INe. DR. IUR. DIPL.-INS. VOLKER BUSSE DIETRICH BUSSE

45 Osnabrück , den 2. Dezember 1971

MDSERSTRASSE SO/S4 VB/Fi

LEYLAND "GAS TURBINES LIMITED Meteor Works, Lode Lane ^ Sollhull Warwickshire, England

Thermischer Regenerator

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Regeneratoren (auch als regenerative Wärmeaustauscher bekannt), bei . denen eine bewegte Matrix verwendet wird, z. B. eine drehbare, scheibenartige Matrix.

Thermische Regeneratoren der genannten Art sind gewöhnlich in Gasturbinen-Kraftaggregaten enthalten, um Wärme aus den Austrittsgasen herauszuziehen und sie auf die komprimierte Eingangsluft zu übertragen, bevor diese in die Verbrennungskammer der Gasturbine eintritt. Die normalerweise verwendete drehbare, scheibenartige Matrix ist in einem Gehäuse der Maschine untergebracht und besteht aus einem durchlöcherten, feuerfesten Kern, ζ* B. aus keramischem oder glas-keramischem Material, der mit einer Vielzahl von offenen, dünnwandigen Durchgängen versehen ist, die im wesentlichen parallel zu seiner Rotationsachse liegen. Sektorähnliche Zonen des Kerns werden durch seine Rotation abwechselnd

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dem Strom der Austrittsgase und dem Strom der komprimierten Einlaßluft ausgesetzt. Auf diese Weise wird der gewünschte Wärmeübergang durchgeführt.

Es versteht sich, daß es dabei notwendig ist, die beiden gasförmigen Ströme ständig getrennt, zu halten und Undichtigkeiten zwischen der Hochdruckzone, die von der komprimierten Einlaßluft besetzt ist, und der von den Austrittsgasen besetzten Niederdruckzone, so gering wie möglich zu halten. Zu diesem Zweck ist es üblich, ein Dichtungselement zu verwenden, das in Reibberührung mit der entsprechenden Fläche der Matrix steht und das auf eineni flexiblen, am Gehäuse der Maschine befestigten Glied angebracht ist. Der angestiöDte Zweck der flexiblen Anbringung besteht darin, die Berührung zwischen der Matrixfläche und der Gegenfläche des Dichtungselements aufrechtzuerhalten, um so die Hochdruckluft abzudichten, trotz der ganz beträchtlich unterschiedlichen Ausdehnung, die zwischen dem Maschinengehäuse und der Matrix bei hohen Temperaturen auftritt. Da der Luftdruck variiert, muß die Stärke der Reiblast innerhalb bestimmter Grenzen einstellbar bzw. anpaßbar sein, und zwar durch die Fähigkeit der Dichtungsanordnung, einerseits wirksam abzudichten, andererseits übermäßige Reibbelastungen zu vermeiden, die zu einer Zerstörung und/oder zu schnellem Verschleiß führen. Dieselbe Dichtungsanordnung kann auch dazu benutzt werden, um Belastungen von der Matrix-Scheibe aufzunehmen, und um dabei zu helfen, derei richtige Stellung zu erhalten.

Die Erfindung geht aus von einem thermischen Regenerator mit

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einer im Innern angeordneten drehbaren, scheibenförmigen Matrix, die innerhalb eines Gehäuses und relativ zu diesem eine Drehbewegung ausführen kann und die von zumindest zwei gesonderten Strömen eines gasförmigen Wärmeaustauschmediums durchflossen wird, wobei der Regenerator mit einer Dichtungsanordnung zum Absondern bzw. Trennen der Ströme versehen ist, Erfindungsgemäß ist dieser Regenerator gekennzeichnet durch

a) eine Gegenflächen-Kissendichtung, die mit einer Fläche der Matrix in Reibberührung steht;

b) einen Stütz- bzw, Tragring, auf dem die Kissendichtung z*?ischen dem Gehäuse und der Matrix angebracht ist;

c) am Gehäuse angebrachte und sich in Richtung zur Matrix erstreckende Mittel zum Halten des Tragringes in seiner Stellung, wobei diese Haltemittel eine Bewegung des Tragrings in Richtung zur Matrix und von dieser weg ermöglichen, während eine Bewegung des Tragrings infolge des bei Rotation der Matrix auf die Kissendiehtung reibungsmäßig aufgebrachten Drehmoments gesperrt ist;

d) einen flexiblen Dichtungsvorhang aus elastomerem Material, der an dem Stütz- bzw. Tragring befestigt ist und sieh über den zwischen dem Tragring und dem Gehäuse gebildeten Spalt erstreckt, wobei der Vorhang eine Hochdruekseite und eine Niederdruekseite der Dichtungsanordnung begrenzt; und

e) am Gehäuse oder am Stütz- bzw. Tragring befestigte Mittel zum Versteifen des Vorhangs, durelfdie ein Gleiten des Vorhangs an diesen Versteifungsmitteln ermöglicht ist.

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Der Stütz- bzw. Tragring der vorbeschriebenen Dichtungsanordnung besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine ausreichend geringe Festigkeit hat, um sicherzustellen,' daß thermische und andere physikalische.Verformungen von der über der Dichtungsanordnung liegenden Luftdruckbelastung ausgeglichen werden, um das Kissen in Berührung mit der Fläche der Matrix-Scheibe zu halten; das Material muß Jedoch andererseits stark genug sein, um den zusammendrückenden Belastungen des Luftdruck-Differentials und anderer Belastungen, z. B. dem Drehmoment infolge Reibung zwi-' sehen der sich drehenden Scheibe und der ortsfesten Kissendichtung, zu widerstehen. Wenn die Kissendichtung'aus einer Materialzusammensetzung gebildet ist, so muß das als Grundlage, d. h. als Hauptkomponente, vorgesehene Material einen entsprechenden Ausdehnungs-Koeffizienten haben, derart, daß das Material mit verschiedenen möglichen überzügen, z, B. Nickeloxyd, oder mit Blöcken aus Reibmaterial, z. B, Graphit, vereinbar ist. Die Kissendichtung kann Jede Art von überzug oder Block umfassen, der für die Diehtungsfunktion dienlich ist.

Wenn der Luftdruck entfernt wird, kann es notwendig sein, den Vorhang zwangsläufig in Berührung oder annähernd in Berührung mit dem Gehäuse zu halten. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man den freien Randbereich des Vorhangs flach auf dem Gehäuse liegen läßt, so daß, wenn die Maschine angelassen wird und sich Luftdruck in der Hochdruckzone aufbaut, der Vorhang in der Lage ist, bereits im Zustand sehr niedrigen Druckes abzudichten, noch bevor die Leerlaufgeschwindigkeit der Maschine

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erreicht ist.

Es können jedoch auch andere Mittel notwendig sein, z. B. in Form einer Einfassungsplatte, um den freien Randbereich des Vorhangs auf der Fläche des Gehäuses zu halten. Auch kann eine Anordnung elastischer Lastmittel, wie z. B. Federn, innerhalb dieser Zone vorgesehen sein, um die gleiche Wirkung zu erreichen (und möglicherweise auch, um den Tragring darin zu unterstützen, die Kissendichtung an die Matrix-Scheibe zu drücken, bevor sich/, der Luftdruck aufbaut, z. B. während des Startens der Maschine).

Um dem durch Reibung zwischen der Reibfläche und der Matrix-Scheibe bewirkten Drehmoment zu widerstehen, kann das Kissen mit zumindest drei nach außen gerichteten seitlichen Vorsprüngen versehen sein, um die Drehmomentbelastung von diesen zum Gehäuse zu übertragen; dies kann z. B. in der Weise geschehen, daß man jeden Vorsprung zwischen zwei Stiften festlegt, die am Gehäuse befestigt sind und von diesem nach oben hervorstehen.

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Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Teil-Querschnitt einer ersten Ausführung

eines thermischen Regenerators und seiner Abdeckung;
und

Fig. 2 einen Teil-Querschnitt einer zweiten Ausführung

eines thermischen Regenerators und seiner Abdeckung,

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Teil einer drehbaren scheibenförmigen Matrix 11, die in einem Gehäuse eingeschlossen ist, von dem legilich ein Teil einer Abdeckung 12 gezeigt ist. Eine Gegenflächen-Kissendichtung 13 ist an einem Stütz- bzw. Tragring 14 angebracht. Die Kissendichtung 13 bildet zusammen mit nachstehend noch zu beschreibenden Teilen eine Dichtungsanordnung, die dazu dient, eine Hochdruckzone A von einer Niederdruckzone B zu trennen. Die Matrix 11 dreht sich relativ zur Gehäuseabdeckung 12 um eine Achse, die in Richtung des Pfeiles A liegt und rechtwinklig zu der mit dem Kissen 13 in Berührung stehenden Fläche der Matrix 11 steht.

Zu Fig. 1: Am Stütz- bzw. Tragring 14 ist ein flexibler Dichtungsvorhang mittels Klebung befestigt, der aus elastomerem Material, in diesem Falle aus einem Silikon-Gummi, besteht. Der Vorhang 16 erstreckt sich.über den Spalt zwischen der Unterseite

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des Ringes I¹J und der oberen Fläche des Gehäuses 12, mit der der freie Rand 17 des Vorhangs l6 in abdichtendem Kontakt steht.

Der Stütz- bzw. Tragring 1*1 weist drei Schlitze auf, in denen ,Jeweils ein Stift 18 angeordnet ist, der dem auf das Kissen 13 von der Matrix 11 beim Drehen derselben ausgeübten Drehmoment entgegensteht.

Am Stütz- bzw. Tragring I¹J ist ferner eine Vorhang-Halte stütze 19 befestigt, die verhindert, daß der Vorhang 16 in die Niederdruckzone B infolge des auf die Dichtungsanordnung wirkenden Druckdifferentials hineinbewegt wird. Um eine Abstützung des Vorhangs Ί6 mittels der Haltestütze 19 über den Bewegungsbereich des Dichtungs-Tragringes 14 von der Gehäuseabdeckung 12 weg aufrechtzuerhalten, ist eine zweite Haltestütze 20 vorgesehen, die auf der Haltestütze 19 teleskopisch gleitet. Die zweite Haltestütze 20 umfaßt einen im Querschnitt kreisförmigen Ring, der am Außenumfang der Stütze 20 angeschweißt Ist und der In eine . Falte des Vorhangs l6 eingreift.

Der freie Rand 17 des Vorhangs wird gegen die Gehäuseabdeckung mittels der in der Zone A befindlichen Hochdruckluft gehalten. Um sicherzustellen, daß sowohl der Vorhang 16 und das Kissen 13 in Berührung mit der Abdeckung 12 und der Scheibe 11 bleiben, bevor sich der Luftdruck aufbaut, typischerweise beim Starten der Maschine, kann eine Federanordnung Anwendung finden_a die zwischen dem Tragring 14 und dem Vorhang angeordnet wird.

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-B-

Zu FIg, 2: An der Unterseite des Stütz- bzw» Tragringes 14 Ist mittels Klebung ein elastomerer DIehtungsvorhang 16 L-fönnigen Querschnitts befestigt, der sieh über·den Spalt zwischen dem Tragring- 14. und einem Planseh 17 eines starren. Im Querschnitt .L-förmigen Teils befindet ₃ das an der Gehäuseabdeckung mittels einer Reihe von Bolzen 18 befestigt ist, Die Innenfläche des Schenkels 20 des Vorhangs 16 steht In abdichtender Berührung mit dem aufrechtstehenden Teil 24 des Flansches 17.

Der Flansch 17 dient zur Begrenzung des von der Matrix .11 auf das Kissen 13 ausgeübten Drehmoments, Indem er aalt dem Stützbzw» Tragring 14 In Abständen über den umfang des aufrecht stehen-; den Teils 24 In Eingriff steht,

Um eine übermäßige Bewegung des Tragrings I^ unü damit des Kissen 13 von der Fläche der Matrix 11 zu verhindern, Ist ein Begrenzungsanschlag 23 an der Gehäuseabdeckung 12 angeschraubt, und zwa ebenfalls mittels der Schraubbolzen l8. Solche Bewegungen könnten z»- B, auftreten, bevor sieh das Luftdruck-Differential beiim Start über der Dichtungsanordnung aufgebaut hat. Eine Bewegung des Kissens 13 In einer Richtung rechtwinklig zu der Matrix 11 wird ermöglicht, da eine luftdichte Abdichtung duirh die Innenfläche 19 des Vorhangs l6 beim Auf- und Abgleiten desselben über den Bereich 24 des Flansches 17 aufrechterhalten bleibt.

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Claims

Patentansprüche:

\1.j Thermischer Regenerator mit einer im Innern angeordneten drehbaren, scheibenförmigen Matrix, die innerhalb eines Gehäuses und relativ zu diesem eine Drehbewegung ausführen kann und die von zumindest zwei ausgeschiedenen Strömen eines gasförmigen Wärmeaustausch-Mediums durchflossen wird, wobei der Regenerator mit eineriDiehtungsanordnung zum Absondern bzw. Trennen der Ströme versehen ist, gekennzeichnet durch:

a) eine Gegenflächen-Kissendichtung (13), die mit einer Fläche der Matrix (11) in Reibberührung steht j

b) einen Stütz- bzw. Tragring (14), auf dem die Kissendichtung

(13) zwischen dem Gehäuse (12) und der Matrix (11) angebracht, ist;

c) am Gehäuse (12) angebrachte und sich in Richtung zur Matrix (11) erstreckende Mittel (16, 21) zum Halten des Tragringes

(14) in seiner Stellung, wobei diese Haltemittel eine Bewegung des Tragrings Cl^) in Richtung zur Matrix (11) und von dieser weg ermöglichen, während eine Bewegung des Tragrings (14> infolge des bei Rotation der Matrix (11) auf die Kissendichtung (13) reibungsmäßig aufgebrachten Drehmoments gesperrt ist;

d) einen flexiblen Dichtungsvorhang (22) aus elastomerem Material, der an dem Stütz- bzw. Trägring M) befestigt ist und sich über den zwischen dem Tragring M) und dem Gehäuse (12) gebildeten Spalt erstreckt, wobei der Vorhang (22) eine . :. Hochdruckseite und eine Niederdruckseite der Dichtungsanordnung begrenzt} und ·

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- ίο -

e) am Gehäuse (12) oder am Stütz- bzw. Tragring (I²O befestigte MIttel zum Versteifen des Vorhangs, durch .die ein Gleiten des Vorhangs an diesen Versteifungsmitteln ermöglicht ist.
2. Thermischer Regenerator nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (12) und der Kissendichtung (13) federnde Mittel angeordnet sind, durch die die Kissendichtung (13) in Berührung mit der Fläche der Matrix (11) gedrückt wird.
3. Thermischer Regenerator nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stütz- bzw. Tragring (14) und dem flexiblen Bichtungsvorhang (22) federnde Mittel angeordnet sind, um den Vorhang (22) in Berührung mit dem Gehäuse (12) zu drücken.
4. Thermischer Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse Begrenzungsanschläge (23) vorgesehen sind, die die Bewegung des Tragrings (14) von der Matrix (11) weg begrenzen. ^λ
5. Thermischer Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- · zeichnet, daß der Dichtungsvorhang (22) eine Falte bildet, die sich parallel zur Fläche der Matrix (11) erstreckt, und daß die· Vorhang-Versteifungsmittel (19) einen Ring (20) umfassen, der mit der Falte in Eingriff steht und eine;Gleitbewegung auf dem Versteifungsmittel (19) ausführen kann.

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