DE2162036A1

DE2162036A1 - Drehspeicher-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2162036A1
Application number: DE19712162036
Authority: DE
Inventors: Richard Farmington; Hetke Adolf Livonia; Mich. Mansfield (V.St.A.). P
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1971-01-04
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1972-07-13
Also published as: AU3659771A; CA935811A; FR2121538B1; CH539831A; FR2121538A1; SE366826B; DE2162036C3; US3743008A; GB1313240A; JPS4716932A; DE2162036B2; JPS503019B2

Description

2162038

Patsntanwp.lt

Dlpl-lng. K. Weither

. 1 BERLIN 1Ö

'ν. Boüvarallee 9

\Tel.S044285

W/Vh-2815

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Drehspeicher-Wärmetauseher

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Drehspeicher-Wärmetauseher mit einem zwei Strömungswege für Medien unterschiedlichen Drucks enthaltenden Gehäuse und einem in deren Weg liegenden Speicherkörper, der um eine Achse drehbar im Gehäuse gelagert abwechselnd durch die beiden Strömungswege bewegt und von den Medien durchströmt wird, wobei zwischen dem Gehäuse und dem Speieberkörper Dichtungen vorgesehen sind, die die Strömungswege gegeneinander abdichten und aus einer Tragplatte mit einem dem Speicherkörperrand entsprechenden

j Sandteil und radialen Stegen, die den Strömungswegen im Gehäuse ^! entsprechende Öffnungen bestimmen, und an der Tragplatte befestigten Dichtungsleisten bestehen.

O / O

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Derartige Drehspeicher-Wärmetauscher, deren. Speicherkörper beispielsweise aus porösem Metall oder keramischem Werkstoff besteht, werden zum Vorwärmen der Brennluft in Gasturbinentriebwerken verwendet. In diesem FaIIe besteht eine erhebliche Druckdifferenz zwischen der verdichteten Luft, die aufzuwärmen ist, und den Abgasen der Turbine, die die Wärme abgeben. Die vorgesehenen Dichtungen haben daher Leckagen zwischen dem hohen Druck aufweisenden Strömungsweg und dem niedrigen Druck aufweisenden Strömungsweg, und ferner ein Umströmen der Ränder des Speicherkörpers zu verhindern.

Infolge der beim Einsatz in Gasturbinentriebwerken sehr hohen Betriebstemperaturen ergaben sich erhebliche Schwierigkeiten bei der Auswahl geeigneter dauerhafter und in wirtschaftlicher Weise herzustellender Dichtungen. Bei bekannten Drehspeicher-Wärmetauschern für Gasturbinentriebwerke wird üblicherweise ein abriebfähiger Werkstoff verwendet, beispielsweise Graphit oder eine Graphitzusammensetzung.

Diese Dichtungsleisten aus Graphit werden an einer Tragplatte, beispielsweise aus Stahl, befestigt. Diese Befestigung erfolgt bei einer bekannten Bauart durch Verbinden mittels eines Silikongummis. Diese sind die zurzeit verfügbaren geeignetsten Klebe- und Abdichtungsstoffe für hohe Temperaturen. Die Verwendung von Silikongummi für diese Zwecke ist jedoch

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begrenzt, da die Betriebstemperaturen bei Gasturbinentriebwerken häufig die höchstzulässigen Temperaturen für Silikongummi übersteigen. Ein zweites wesentlich teueres Verfahren zur Befestigung der Dichtungsleisten an der Tragplatte besteht in der Verwendung von versenkten Schrauben oder ITieten. Dies hat jedoch mehrere Nachteile zur Folge, denn die genaue Herstellung einer Vielzahl von Löchern zur Aufnahme der Schrauben oder Nieten ist äusserst aufwendig und teuer und ferner ergeben sich in den Dichtungsleisten im Bereich der Löcher für die Schrauben oder Hieten erhebliche Spannungen, die zu einem Bruch des empfindlichen V/er lest.of fs der Dichtungsleisten führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehspeicher-Vfärmetauscher der eingangs erwähnten Art so

weiter auszugestalten, dass die aufgezeigten Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Tragplatte mit den Dichtungsleisten durch plasmaaufgesprühte Bindemittel gasdicht miteinander verbunden : sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vor- !

gesehen, dass der Speicherkörper an jeder Stirnseite eine j

! Ringnut enthält, in die mit den Dichtungsleisten an den Rand- =

i teilen der Tragplatte zusammenarbeitende Dichtungsleisten ^;

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eingesetzt sind, deren Umfangsränder durch plasmaaufgesprühte Bindemittel mit dem Speicherkörper gasdicht verbunden sind.

Bach einem v/eiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bindemittel in einer auf die tragplatte aufgesprühten Haftschicht und einer auf diese aufgesprühten Halteschicht aufgebracht ist.

Hierbei ist es zweckmässig, wenn die Haftschicht und die Halteschicht aus einem 75^ Wickel und 25$ Graphit enthaltenden Werkstoff besteht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Pig. 1 einen Schnitt durch einen Drehspeicher-Wärmetauscher nach der JErfindun^in einer durch die Antriebswellenachse gehenden Ebene, Pig. 2 ein Schnitt nach der Linie 2-2 in Pig. I, Pig. 3 ein yergrösserter Schnitt nach der Linie 3-3

in Fig. 2,

Pig. 4 ein vergrösserter Ausschnitt aus Pig. 3 einer etwas abgewandelten Ausführungsform, ^: Pig. 5 eine QJeilansicht durch einen Seil der Dichtungseinheit und

Pig. 6 ein leilschnitt durch einen Speicherkörper einer abgewandelten Ausführungsform.

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Der Drehspeicher-Wärmetauscher gemäss Pig. I

hat ein Gehäuse 10 im wesentlichen trommeiförmiger Gestalt, das einen ringförmigen Speicherkörper 12 enthält, in dem eine Yielzahl von Poren oder Kanälen 14» die in der Zeichnung übertrieben gross dargestellt sind, enthalten^ die sich von der einen zur anderen Stirnfläche des Speicherkorpers im wesentlichen parallel zur Drehachse des Speicherkö-rpers erstrecken. Der Speicherkörper 12 läuft um die Achse einer ihn antreibenden Welle 16 um, die in einer Nabe 18 des Gehäuses" 10 gelagert ist und an ihrem inneren Ende über ein Armkreuz 20 mit dem Speicherkörper gekuppelt ist. D_er Speicherkörper läuft in bekannter Weise mit geringer Drehzahl um.

Zweckmässig weist der Speicherkörper 12 einen Innenkranz 22 und einen Aussenkranz 24 auf, die aus gasundurchlässigem Werkstoff bestehen. Jedoch sind derartige Kränze nicht unbedingt erforderlich. Im Inneren des Speicherkorpers ^ ist ein im wesentlichen zylindrischer Baum 26 gebildet, während i zwischen dem Aussenumfang des Speicherkorpers und dem Gehäuse 10 ein Ringraum 28 besteht. j

An der einen Stirnseite des Gehäuses 10 ist j eine Einlassöffnung 30 für verdichtete kalte iuft vorgesehen, der gegenüber an der anderen Stirnseite eine Auslassöffnung liegt, durch die die im Speieherkörper 12 erwärmte luft auatriti

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An der gleichen Stirnseite ist eine Einlassöffnung 34 für die niedrigen Druck führenden Abgase der Turbine vorgesehen, die nach Durchstrom durch den Speicherkörper 12 durcb eine an der anderen Stirnseite vorgesehene Auslassöffnung 36 abströmen. Die beiden Gasströme treten also in einander entgegengesetzter Richtung durch den Speicherkörper 12. Wie die Zeichnung erkennen lässt, ist der Durchschnittsquerschnitt für die heissen Turbinenabgase grosser als der Querschnitt des Kanals für die verdichtete Luft, um den unterschiedlichen Dichten der beiden Medien Rechnung zu tragen.

Zwischen jeder Stirnfläche des Speicherkörpers und dem Gehäuse IO ist eine Dichtungseinheit 38 vorgesehen, durch die die beiden Strömungswege durch den Speicherkörper gegeneinander abgedichtet werden, so dass Leckagen zwischen beiden kleinstmöglieh gehalten sind. ¥ie Fig. 2 zeigt, besteht jede Dichtungseinheit aus zwei radialen Streben 40 und 42, die vorzugsweise in der Mitte des Speicherkörpers miteinander verbunden sind, und mit ihren äusseren Enden in Randdicbtungen 44 längs des hohen Druck führenden Strömungsweges und 46 längs.des niedrigen D^uck führenden Strömungsweges übergehen. Jede Dichtungseinheit enthält somit eine Öffnung 49 für die verdichtete luft, die aus der Randdichtung 44 und den Dichtungen an den Streben 40,42 begrenzt ist und der i*orm der Austritts-

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öffnung 32 angepasst ist, und eine Öffnung 50 für die Turbinen-, abgase, die durch die Randdichtung 46 und die Dichtungen im Bereich der Streben 40 und 42 begrenzt ist und im wesentlichen der Eintrittsöffnung 34 entsprechende Form hat.

Vie die Pig. 2 und 3 erkennen lassen, besteht die Dichtungseinheit 38 aus einer Tragplatte 43, die aus einem Randteil, der die Randdichtungen 44 und 46 trägt, und radialen Streben 40 und 42 besteht, die die entsprechenden Dichtungen tragen« Diese Tragplatte ist zweckmässig einteilig und besteht aus einem kräftigen Metallblech, das senkrecht zur Drehachse des Speicherkörpers starr ist, aber parallel sur Drehachse des Speicherlcörpa?-fi in gewissem Umfange nachgeben kann. Diese Tragplatte 48 ist gegen Drehen und Querverschiebungen zur Drehachse festgelegt, kann sich jedoch parallel zur Drehachse des > Speicherkörpers frei bewegen. Die Tragplatte ist durch eine Anzahl von Stiften oder Dübeln festgelegt, die am.Gehäuse 10 sitzen und in Schlitze 51 in radial aussen liegenden Augen der Tragplatte 43 greifen (Fig. 2).

Die Tragplatte 48 trägt Dichtungsleisten 54, die in noch zu beschreibender Weise mit der Tragplatte 48 verbunden sind.Diese Dichtungsleisten liegen unmittelbar gegen den Speicher körper längs des Umfanges und längs der Streben an. Die Dichtungs leisten "bestehen aus geeigneten Werkstoffen, im Ausführungsbeispiel aus dem für diese Zwecke bekannten Werkstoffen G-iphit oder einer Graphitzusammensetzung.

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Die Tragplatte 48 und die an ihr befestigten Dichtungsleisten 54 können in dem Gehäuse 10 in der in Fig. 3 dargestellten Weise durch eine zweite Dichtungseinheit abgestützt sein, die aus einem Dichtglied 56, einem Stützglied 58, einer Tragplatte 60 und einem Befestigungsglied 62 besteht, die miteinander und mit der Tragplatte 48 verschweisst sind. Die Dichtungsleisten 54 sind gemäss Pig. 2 als getrennte Segmente

^ ausgebildet, deren Gestalt der Tragplatte 48 angepasst ist.

Im Ausführungsbeispiel sind sechs bogenförmige Segmente längs des Umfanges der Tragplatte 48 vorgesehen, die die Randdichtungen 44 und 46 bilden, während längs der Streben 40 und 42 ein in seiner Mitte eine Öffnung aufweisendes Element verwendet ist. Die Enden der bogenförmigen Segmente sind S-förmig ausgebildet und stützen sich in den Wendenpunkten der S gegenseitig ab, wobei Spalte gebildet sind, die Ausdehnungen beider Segmente unter Aufrechterhaltung der gegenseitigen Abstützung ermöglichen. Wie Pig. 5 zeigt, sind die Segmente in deta Bereich

™ der Stoßstellen nicht mit der Tragplatte 48 verbunden,

Erfindungsgemäss sind die einzelnen Dichtungsleisten 54 tnit der Tragplatte 48 durch plasmaaufgesprühte Überaüge verbunden, die die abgeschrägten Kanten der Dichtungsleisten übergreifen. Diese plasmaaufgesprühten überzüge halten die Dichtungsleisten fest und bewirken darüber hinaus eine gasdichte

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Verbindung zwischen den Dichtungsleisten und der Tragplatte-Vor dem Plasmaaufspriihen muss die tragplatte 48 zunächst gereinigt werden, zweckmässig in Dampf entfettet werden, wie dies an sich "bekannt ist, damit Öl und andere fett ähnliche Verunreinigungen entfernt werden. lach dem Entfetten wird die Tragplatte mit Glasband derart maskiert, dass nur die Flächen freibleiben, die besprüht werden sollen, In diesem Zustand erfolgt ein Strahlen mit einem abreibenden Werkstoff, beispielsweise Aluminiumoxid. Mach dem Strahlen erfolgt ein Reinigen mittels eines trockenen luftstroms, um jegliche Staubpart-^ikel zu entfernen.

Fach dem Reinigen wird die Tragplatte in eine Plasmasprüheinrichtung eingesetzt und danach die Segmente der Dichtungsleisten 54 an der richtigen Stelle aufgesetzt. Die Dichtungsleistenelemente werden gegen die Tragplatte gespannt, beispielsweise so, dass nur der innere Dichtungsumfang dem Plamastrahl ausgesetzt ist. Es folgt dann das Aufsprühen einer dünnen Haftschicht 64» die beispielsweise aus einem alitierten Nickelwerkstoff aus 4*5$ Aluminium und dem Rest Nickel besteht₉ (jietco 450, Flammspritzpulver der Firma Metco Inc., Westbury, long Island, New York.) Nach Aufsprühen dieser Haftschicht 64 wird eine Halteschicht 66 durch Plasmaaufspruhen aufgebracht, wozu ein Nickel-G-raphitpulver verwendet wird, das aus 75 $> Nickel und 25$ Graphit besteht. Dieae Halteschicht liegt gegen die geneigten Flächen der Dichtungsleiste aa, wie dies Pig. 3

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zeigt. Danach wird der äussere Dichtungsraad fre ice legt und die "beiden Aufsprühvorgänge an dieser Seite in der gleichen Weise vorgenommen. Zuviel aufgesprühter Werkstoff v/ird dann durch Reinigen entfernt, falls dies gewünscht ist, und die Dichtung ist damit für den Einbau in den Drehspeicher-Wärmetauscher fertig.

Wird für die Halteschicht ein abriebfähiger

Werkstoff verwendet, wie dies das erwähnte Hickel-G-rphitpulver ist, so kann in abge\i?andelter Weise die Halteschicht bis zur oberen Fläche der Dichtungsleiste hochgezogen werden, wie dies in Pig. 4 durch das Bezugszeichen 66a angedeutet ist. Beschädigungen des Speicherkörpers 12 sind durch die Eigenschaft des Werkstoffs der Halteschicht ausgeschlossen. Bei Verwendung eines derartigen Werkstoffes für die Halteschicht kann ein Reinigen von überschüssig aufgesprühtem Werkstoff oder ein Maskieren des Werkstückes vor dem Aufsprühen zur Kostenersparnis fortgelassen werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform gemäss Pig. 6 kann mit einer Haftschicht 64 und einer Halteschicht 66a eine Dichtungsleiste 54a an dem Speicherkörper 12 befestigt werden, die mit Dichtungsieisten 54» die an der Iragplatte 43 befestigt sind, zusammenarbeiten. Der Speicherkörper 12 enthält eine Ringnut 24a zur Aufnahme der Dichtungsleiste 54a, deren freier Rand in gleicher Weise wie in Pig. 4 dargestellt, mit -lern.

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Speicherkörper verbunden ist, während der andere Rand eine Ab-fasung enthält, in die eine Haltesehieht 66b gesprüht wird. Für die Zwecke der Erfiadung sind auch andere als die erwähnten Werkstoffe als Bindemittel geeignet, sofern sie durch Plasmaaufsprühen verarbeitet -werden können, so dass zweclfetnässige Eigenschaften von Ausdehaungskoeffizienten.Yerbindungsfähigkeit und Festigkeit eingehalten werden können. Der Vorteil der Verwendung des PlasmaaufsprUhens zum Befestigen der Dichtungsleisten an der Tragplatte besteht in den niedrigen Herstellungskosten, da keine genaue Fertigung für Befestigungsschrauben oder ITieten in einem der beiden zu verbindenden Teile erforderlich ist. Ferner wird die durch Plasmaaufsprühen hergestellte Verbindung-bei normalen Betriebstemperaturen des Wärmetauschers nicht zerstört. Ferner können verhältnismässig dünne Dichtungsleisten verwendet v/erden, da deren Festigkeit durch Befestigungslöcher u.dgl. nicht beeinträchtigt ist. Bei einer praktischen Ausführung der Erfindung wurde eine Tragplatte 48 von etwa .1,5 mm Dicke verwendet, mit der Dichtungsleisten einer Dicke von etwa 1,5 aa verbunden wurden, wobei die !leitschicht β 4 nicht stärker als 0,05 mm und die Halteschicht öS sv.'ischen 0,32 und 0,75 mm gewählt wurde. Die in den Zeichnungen erheblich grössereti Abmessungen, sind lediglich zur Verdeutlichung fc-sv;ählt.

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BADOWGINAL

Claims

Patentansprüche

~N

(iJ Drehspeicher-Wärmetauscher mit einem zwei

Strömungswege für Medien unterschiedlichen Druckes enthaltenden Gehäuse und einem in deren Weg liegenden Speicherkörper, der" um eine Achse drehbar im Gehäuse gelagert abwechselnd durch die beiden Strömungswege bev/egt und von den Medien durchströmt wird, \i?obei zwischen dem Gehäuse und dem Speicherkörper Dichtungen vorgesehen sind, die die Strömungswege gegeneinander abdichten und aus einer Tragplatte mit einem dem Speicherkörperrand entsprechenden Randteil und radialen Stegen, die den Strömungswegen im Gehäuse entsprechende Öffnungen bestimmen, und an der Tragplatte befestigten Dichtungsleisten bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragplatte (48) mit den Dichtungsleisten (54) durch plasmaaufge- ; sprühte Bindemittel (64,66) gasdicht miteinander verbunden sind.

2, Drehspeicher-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkörper (12) an jeder Stirnseite eine Ringnut (24a) enthält, in die mit den Dichtungsleisten (54) an den Randteilen der Tragplatte (48) zusammenarbeitende Dichtungsleisten (54a) eingesetzt sind, deren Umfangsränder durch plasmaaufgesprühte Bindemittel (66a,66b) mit dem Speicherkörper gasdicht verbunden sind. -..""., -,

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3i Drebspeieher-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel in einer auf die Tragplatte (43) aufgesprühten Haftschicht (64) und einer auf diese aufgesprühten Halteschicht (66) aufgebracht ist.

4. Drehspeicher-Wärraetäüscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (64) und die Halteschicht (66) aus einem 75$ Fickel und 25fo Graphit enthaltenden Werkstoff besteht.

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