DE2237383A1

DE2237383A1 - Dichtungsanordnung an einer rotierenden regenerativ-waermetauscherscheibe einer gasturbine

Info

Publication number: DE2237383A1
Application number: DE2237383A
Authority: DE
Inventors: James K Vallance
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1971-08-02
Filing date: 1972-07-29
Publication date: 1973-02-15
Also published as: DE2237383C3; GB1330809A; JPS5430136B2; JPS4825241A; DE2237383B2; US3719226A; CA957165A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochem

6 Prankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str.

Firma Ford-Werke

Aktiengesellschaft

5 Köln - Deutz, Ottoplatz 2

Dichtungsanordnung an einer rotierenden Regenerativ-Wärmetauscherscheibe einer Gasturbine.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung an einer rotierenden ßegenerativ-Wärmetauscherscheibe einer Gasturbine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer stirnseitig am Umfang angeordneten, ringförmigen Dichtung und einem die Strömungsbereiche der durch die Wärmetauscherscheibe geleiteten Gase trennenden Dichtungssteg, wobei an den Enden des Querstegs eine die in entsprechender Breite unterbrochene ringförmige Dichtung ersetzende und ringförmig ergänzende Enddiehtung angeordnet ist und die Dichtungen aus einer an der Wärmetauscherscheibe anliegenden Unterlage und einer darauf befestigten, sich gegen Gehäuseflächen erstreckende Dichtlippe bestehen.

Drehspeicherwärmetauscher für Gasturbinen werden aus keramischem Material hergestellt und arbeiten bei verhältnismäßig hohen Temperaturen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Materials ist jedoch sehr verschieden von dem des Maschinengehäuses, und es sind bisher Dichtungen, bestehend aus einer mit einer Seite auf dem keramischen Körper gleitenden Unterlage und einer auf der anderen Seite ange-

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brachten, biegsamen, metallischen Dichtlippo, die am Maschinengehäuso anlieft und durch die Druckt] iΓ Γoronz der am Wärmeaustausch beteiligten Gaae in dichter AnIaßc gehalten wird, vorgesehen worden, um die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen unschädlich zu machen.

Bei einer typischen Gasturbine mit einer Wärmetauscherscheibe strömen heiße Abgase durch einen Sektor der Wärmetauscherscheibe, und deren Drehung bringt den dadurch aufgeheizten Bereich der Scheibe in den Strömungsweg der zugeführten, zu erwärmenden Luft. Die zugeführte Luft umgibt auch den Umfang der Wärmetauscherscheibe und kühlt dabei die dort befindlichen Antriebsmittel für den Drehantrieb der Wärmetauscherscheibe. Auf einer der Stirnseiten der letzteren ist eine sich über den gesamten Umfang erstreckende Dichtung erforderlich, außerdem ein sich diametral erstreckender Dichtungsquersteg, welcher die sektorförmigen Strömungswege"des wärmeabgebenden und des zu erwärmenden Gases trennt. Die Dichtung am Quersteg ist sehr viel höheren Temperaturen ausgesetzt als die ringförmige Dichtung am Umfang, und ihre Wärmedehnung in Längsrichtung wurde bisher schon dadurch berücksichtigt, daß die am Quersteg angebrachten Dichtungsmittel von denen der ringförmigen Dichtung getrennt wurden, so daß eine Relativbewegung zwischen den Endbereichen der Dichtungsmittel am Quersteg und der ringförmigen Dichtung möglich war. Dabei traten aber erhebliche Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung einer wirksamen Dichtung an den Enden des Querstegs auf, denn dessen starke Wärmeausdehnung führt dazu, daß die an den Enden des Querstegs angebrachten Dichtungsmittel aus der dichten Anlage bzw. dem dichten Anschluß an die Dichtungsmittel der ringförmigen oder ringabschnittförmigen Umfangsdichtung verschoben wurden. Außerdem mussten nicht nur die Strömungswege der Gase durch die Wärmetauscherscheibe gegeneinander abgedichtet werden, sondern auch der Umfangsbe-

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reich gegenüber jedem der ccktorförmigen Ströinungswoge.

Εσ int Aufgabe der vorliegenden Erfindung,.eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher · eine wirksame Dichtung trotz der durch unterschiedliche Väremausdehnungen der Dichtungsmittel am Umfang und am Quersteg verursachten gegenseitigen Verschiebungen aufrechterhalten wird.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Unterbrechungsstellen der ringförmigen Dichtung an deren Unterlage eine zusätzliche Dichtlippe befestigt ist, welche radial außerhalb der Enddichtung unmittelbar hinter dieser angeordnet ist und im wesentlichen in derselben Richtung gekrümmt ist wie die Diehtlippen der sich ergänzenden ringförmigen Dichtung und Enddichtung»

Die neu vorgeschlagene Dichtungsanordnung hat den Vorteil, daß bei einer Ausdehnung des Querstegs die an dessen Enden befestigten Diehtlippen weiter in die gekrümmte zusätzliche Dichtlippe hineingedrückt werden und dabei mit· dieser in ständiger Anlage bleiben· Hierbei nähern sich auf einer Seite des Querstegs die beiden Berührungslinien der Enddichtung und der zusätzlichen Dichtung mit zunehmender Ausdehnung des Querstegs. Während somit eine ungehinderte Värmeausdehnung möglich ist, bleibt die dichte Anlage erhalten.

Der erfindungsgemässe Gedanke ist nicht auf Dichtungsanordnungen mit einer sich über den gesamten Umfang der Vännetauscherscheibe erstreckenden Handdichtung beschränkt, sondern kann in allen Fällen, wo eine ringabschnittförmige Umfnngsrichtung und ein sich im wesentlichen radial erntreckender Quersteg zusammentreffen, Anwendung finden.

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Linienberührung zwischen der zusätzlichen Dichtlippe und den Enden der ringförmigen Dichtlippe sorgt dafür, daß keine wesentliche Leckströmung vom Umfang der Wärmetauscherscheibe zu einem der sektorförmigen Strömungswege stattfinden kann. Abgebogene seitliche Enden der zusätzlichen Dichtlippe können derart angebracht sein, daß sie gegen die Dichtlippen dor ringförmigen Dichtung drücken und sozusagen eine Vorbelastung der letzteren während des Starts der Turbine darstellen. Während des Betriebs beträgt die Druckdifferenz der Gase im Wärmetauscher bei Automobilgasturbinen bis zu ungefähr 4 Atmosphären, und diese Druckdifferenz hält die Dichtlippen in dichter Anlage am Maschinengehäuse. Die Dichtungen können auch, falls gewünscht, bei höheren Druckdifferenzen verwendet werden.

Der Krümmungsradius der zusätzlichen Dichtlippe ist vorzugsweise kleiner als bei der ringförmigen Dichtung und der Enddichtung am Quersteg.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Wärmetauscherscheibe einer Gasturbine mit zugehörigen Dichtungen,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die mit Bezug auf Fig. 1 untere Seite der Wärmetauscherscheibe und die dort befindlichen Dichtungen,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2 in grösserem Maßstab,

Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 in Fig. 3»

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Fig. 5+ 6 Draufsicht und Seitenansicht einer in den

Fig. 2 und 3 gezeigten zusätzlichen Dichtung,

Fig. 7 einen Querschnitt durch die zusätzliche Dichtung entlang der Linie 7-7 in Fig. 5₅

Fig. 8 einen Querschnitt nach Linie 8-8 in Fig. 3.

Dio Gasturbine mit dom in der Zeichnung dargestellten Rogonornbiv-Wrirmo tauscher hab ein im Querschnitt elliptisch geformtes, metallisches äußeres Gehäuse 1o, welches auf Seiten des Wärmetauschers am oberen Ende mit einer verschließbaren öffnung versehen'ist (Fig. 1 stellt einen Schnitt längs der größeren Hauptachse der Ellipse dar). Im Gehäuse 1o befindet sich ein Innengehäuse 12, welches mit kurzem Abstand vor der Öffnung des äußeren Gehäuses endet. Das Innengehäuse 12, welches auch einstückig mit dem äußeren .Gehäuse ausgebildet sein kann, besteht aus einer zylindrischen Wand 14 und einer diametral verlaufenden Wand 16 und bildet zwei im Querschnitt halbkreisförmige Strömungskanäle 18 und 2o. Auf einem Teilbereich des Umfangs der Wand 14 besteht zwischen dieser und dem äußeren Gehäuse 1o ein Ringkanal 22. Die Innenseite der Wand 14 und beide Seiten der Wand 16 sind mit einem geeigneten wärmeisolierenden Material 23 bedeckt.

Ein scheibenförmiger Regenerativ-Wärmetauscher 24 ist drehbar über dem Innengehäuse 12 montiert. Ein Zahnring 26 umgibt den Wärmetauscher 24 und steht in Eingriff mit einem Ritzel 28, welches an auf der Innenseite des Gehäuses angebrachten Augen oder Vorsprüngen 3o und 32 gelagert ist. Das Ritzel 28 erhält seinen Antrieb von der Gasturbine über eine Antriebswelle 34, die in dem Ringkanal 22 angeordnet ist. Das Ritzel 28 treibt über den Zahnring 26 und ein geeignetes Drehmoment übertragendes Zwischenglied

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35 die Wärmetauscherscheibe an. Die Öffnung des äußeren Gehäuses 1o ist durch einen metallischen Deckel 36 verschlossen, der durch nicht gezeigte Befestigungsmittel herkömmlicher Art gehalten wird. Der Deckel 36 hat eine sich nach abwärts erstreckende Hippe 38, welche mit der diametral verlaufenden Wand 16 fluchtet.

Auf der Innenseite den Wärmetauschers sind an doünon Umfang zwei C-förmigo Dichtung ^(t/l ο und 4P und ein nich diametral erstrockender Dichtungsquerstcß 44 angeordnet;, Welche die Fugen zwischen der Wärmotauschorsehcibe ?.'v und dem Innengehäuse 1? abdichten. Jede der Dichtungen 4o, 42 und 44 besteht aus einer Unterlage 46 bzw. 48 bzw. 5o, deren eine Fläche an der Wärmetauscherscheibe gleitend anliegt. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche jeder Unterlage ist jeweils die eine Randkante einer Dichtlippe 52 bzw. 54 bzw. 56 befestigt. Das freie Ende der Dicht lippen erstreckt sich jeweils gegen eine geeignete Anlagefläche am Innengehäuse 12.

Auf der Außenseite der Wärmetauscherscheibe 24 ist nur eine D-förmige Dichtung 6o vorgesehen, welche bestimmte Fugen zwischen der Wärmetauscherscheibe und dem Deckel 36 abdichtet. Der D-förmige Verlauf der Dichtung 6o gliedert sich in einen mit Bezug auf Fig. 1 rechts gelegenen halbkreisförmigen Bereich und einen Dichtungsquersteg, welcher gerade unterhalb der Rippe 38 am Deckel 36 liegt. Auch diese Dichtung besteht aua einer Unterlage 62, deren eine Fläche gleitend an der Wärmetauscherscheibe 24 anliegt und auf deren gegenüberliegenden Oberfläche im Umfangsbereich eine Dichtlippe 66 und am Quersteg eine Dichtlippe 7o befestigt sind, welche sich nach oben und mit Bezug auf den Strömungskanal 2o nach außen erstrecken und am Deckel 36 bzw. dessen Querrippe 38 dichtend anliegen.

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An jedem Ende des Dichtungsäuerstegs 44 ist eine Enddichtung 7? bzw. 74 in Form einer Dichtlippe befestigt. Die radial inneren Kanten jeder der beiden Dichtlippen 72 und 74 sind an der Unterlage 5o angeschweißt, während die radial äußeren, freien Enden der Dichtlippen von der Unterlage abstehen, wobei die Seitenkanten 72a, 72b der die Enddichtungen bildenden Dichtlippen im wesentlichen den Seitenkanten 52a und 56b der Dichtlippen 52 und 56 der Umfangsdichtung gleichgerichtet sind und an diesen anliegen. Die sich in Längsrichtung des Querstegs 44 erstreckende Dichtlippe 54- ist an ihren Enden derart geschnitten, daß sie an den Innenflächen der dndseitigen Dichtlippen 72 und- 74- eng anliegt.

Erfindungsgemäß ist radial außerhalb der endseitigen Dichtlippen 72 und 74- jeweils eine zusätzliche Dichtlippe 76 bzw. 78 angeordnet. Diese besteht aus einer flachen Basis 8o und einem im Winkel davon abstehenden lippenfö'rmigen Teil 82. Die Kante, an welcher die Basis 8o und die Dichtlippe 82 im Winkel zusammenstoßen und miteinander verbunden sind, ist mit 84- bezeichnet,und, diese Kante 84 ist konkav geschnitten, wie aus Fig. 5 und 6 ersichtlich. Der Krümmungsradius der konkaven Kante 84· ist kleiner als der Krümmungsradius der Umfangsdichtungen 4o und 4-2. Bei einer typischen Automobil-Gasturbine haben z.B. die Umfangsdichtungen einen Durchmesser von ungefähr 7^ ^cm, während der Badius der konkav gekrümmten Kante 84- der zusätzlichen Dichtung 76 ungefähr 2ocm beträgt. Die Dichtlippen der zusätzlichen Dichtungen 76, 78 bestehen wie die übrigen Dichtlippen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, Nickellegierungen oder einem anderen Material mit geeigneter Temperaturfestigkeit.

Bei jeder zusätzlichen Dichtung 76, 78 ist die Basis 8o hinter den Umfangsdichtlippen 52 und 56 mit deren Unterlagen

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46 und 48 verweißt (siehe besonders FiG. 3)· Die mittleren Bereiche der zusätzlichen Dichtlippen überspannen somit die Endbereiche der Unterlage 5o des Dichtungsquerstegs 44.

Eine Haltelasche 86 verbindet die Endbereiche .der Unterlagen der Umfangsdichtungen radial außerhalb der Dichtlippen, um die Unterlagen in der vorgeschriebenen Stellung zu halten. Jede Lasche 86 überspannt den Endbereich der Unterlage des Dichtungsquerstegs, ist aber nicht fest damit verbunden. Die Verbindung der Laschen 86 mit den Unterlagen der Umfangsdichtungen kann durch Schrauben, Schweißen usw. erfolgen. Eine sehr gut geeignete und billige Verbindung kann auch durch Einsekungen 87 in den Laschen 86 erzielt werden, die in passende Löcher in den Unterlagen der C-förmigen Dichtungen eingeschnappt werden. Diese Verbindung gewährleistet eine ausreichende Haltekraft, erlaubt aber doch eine gewisse Relativbewegung.

Während des Betriebs der Gasturbine strömt verhältnismäßig kühle Luft von einem nicht gezeigten Kompressor durch den Ringkanal 22 nach aufwärts und wird am Deckel 36 umgelenkt und durch den porösen vorderen Sektor der rotierenden Wännetauscherscheibe 24 geleitet. Danach strömt die Luft nach unten zur nicht gezeigten Brennkammer der Maschine. Die dort bei der Verbrennung entstehenden heißen Brenngase beaufschlagen zunächst die Turbine und strömen dann nach oben durch den Kanal 2o, den mit Bezug auf Fig. 1 rechten Sektor des Wärmetauschers 24 und in den durch die äußere Dichtung 6o umgrenzten Raum, von wo aus sie zur Außenatmosphäre abgeleitet werden.

Die Luft vom Ringkanal 22 umströmt auch den gesamten Umfang des Wärmetauschers 24 und hat gewöhnlich einen Druck von wenigstens ungefähr 4 Atmosphären. Die heißen Abgase "im

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Strömungskanal 2o haben dagegen in der Regel nur einen Druck von etwas über einer Atmosphäre und eine Temperatur von ungefähr 7oo°C. Durch die Wärmeübertragung von den heißen Abgasen auf die durch den linken Sektor des Wärmetauschers 24 geleitete Luft beträgt deren Temperatur hinter dem Wärmetauscher im Strömungskanal "18 mehr als 5^-0 C.

Wenn alle Teile der Dichtungen eine niedrige Temperatur haben, besteht zwischen den Seitenkanten der Dichtlippen 52, 56, 72 und 74- (also den Kanten 52a, 56b, 72a und 72b) eine dichte linienförmige Anlage an den Dichtlippen der zusätzlichen Dichtungen 76 und 78. Die Druckdifferenz in den Gasen beiderseits der Umfangsdichtung und des Dichtungsstegs fördert während des Betriebs der Trubine das Aufspreizen der Dichtlippen und deren dichte Anlage am Gehäuse.

Während die Turbine läuft, treten am Dichtungsquersteg sehr viel höhere Temperaturen auf als an den Umfangsdichtungen. Dem Dichtungsquersteg ist deshalb die Möglichkeit gelassen worden, sich während der starken Erwärmung auszudehnen, und während dies geschieht, verschieben sich die linsenförmigen Berührungsstellen, welche ursprünglich bei den Längskanten der endseitigen Dichtlippen (also den Kanten 72a, 72b) liegen, nach einwärts entlang demlippenförmigen Teil 82 der zusätzlichen Dichtungen 76, 78. Somit bleibt der linienförmige Kontakt während des gesamten Betriebs der Turbine erhalten, und die linienförmige Berührung verhindert eine größere Gasleckage zwischen den Sektoren und vom Umfang her zu jedem der Sektoren,

An den seitlichen Enden des abstehenden Teils 82 der zusätzlichen Dichtungen 76, 78 können kleine Lappen 9o» 92 umgebogen sein, so daß sie gegen die Dichtlippen der ringförmigen Dichtungen drücken. Die Lappen bilden für die Enden

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der Dichtlippen der Umfangsdichtung während des Anlaufs der Turbine und während des Betriebs bei niedrigen Drücken eine Vorbelastung. Die Kante 84- jeder zusätzlichen Dichtung 76, 78 hat einen Krümmungsradius, der in erster Linie vom relativen Ausdehnungsverhalten der Teile der Dichtungsanordnung abhängt. Die am besten geeignete Krümmung kann jeweils durch eine Reihe einfacher Versuche für jede Maschinenauslegung optimiert werden. Die abstehenden Teile bzw. Dichtlippen 82 der zusätzlichen Dichtungen 76» 78 werden dann vorzugsweise anfangs so eingestellt, daß bei niedriger Temperatur ein kleiner Abstand zwischen ihrer Innenkante und der endseitigen Dichtung 72 des Dichtungsquerstegs frei bleibt, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Dieser Spalt führt zwar zu einer gewissen Leckage während des Anlaufs der Maschine, die Leckagemenge ist jedoch insgesamt unbedeutend, während andererseits durch diese Maßnahme die Belastung der Teile bei hohen Temperaturen wesentlich verringert und dadurch die Lebensdauer der Dichtung beträchtlich verlängert wird.

Durch die Erfindung wird somit ein Dichtungssystem für einen rotierenden Regenerativ-Wärmetauscher einer Gasturbine geschaffen, welches trotz Wärmeausdehnung des Dichtungsquerstegs seine dichtenden Eigenschaften behält und dabei auch keine unzulässigen Materialbeanspruchungen entstehen lässt. Die Dichtungsanordnung verhindert eine stärkere Leckage zwischen den durch die Dichtungsanordnung eingeschlossenen Sektoren an der Oberfläche des Wärmetauschers sowie zwischen jedem der Sektoren und dessen Umfang.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Λ.J Dichtungsanordnung an einer rotierenden Begenerativ-Värmetauscherscheibe einer Gasturbine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer stirnseitig am Umfang angeordneten, ringförmigen Dichtung und einem die Strömungsbereiche der durch die Värmetauscherscheibe geleiteten Gase trennenden Dichtungsquersteg, wobei an den Enden des Querstegs eine' die in entsprechender Breite unterbrochene ringförmige Dichtung ersetzende und ringförmig ergänzende Enddichtung angeordnet ist und die Dichtungen aus einer an der Värmetauscherscheibe anliegenden Unterlage und einer darauf befestigten, sich gegen Gehäuseflächen erstreckenden Dichtlippe bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß an den Unterbrechungsstellen der ringförmigen Dichtung (4o, 42, 6o) an deren Unterlage (4-6, 48, 62) eine zusätzliche Dichtlippe (76, 78, 82) befestigt ist, welche radial außerhalb'der Enddichtung (72, 7*0 unmittelbar hinter dieser angeordnet ist und im wesentlichen in derselben Richtung gekrümmt ist, wie die Dichtlippen (52, 56, 72, 7^) der sich ergänzenden ringförmigen Dichtung (4o, 42, 6o) und der Enddichtung (72, 74).
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der zusätzlichen Dichtlippe (76-84) kleiner ist als bei der ringförmigen Dichtung (4o, 42, 6o) und der Enddichtung (72, 74).

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3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Dichtlippe (82) auch dicht an den Enden der Dichtlippen (52, 56) der ringförmigen Dichtung (4o, 42) anliegt.
4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Enden (9o, 92) der zusätzlichen Dichtlippe (82) aufgebogen sind und gegen die Dichtlippen (52, 56) der ringförmigen Dichtung (4o, 42) drücken.
5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Unterlagen (46, 48) der ringförmigen Dichtungen (4o, 42) durch aufgesteckte, die Unterbrechungsstellen am Quersteg (44) überspannende Laschen (86) verbunden sind.
6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dichtlippen (52, 54, 56, 66, ?o, 72, 82) zur Seite des höheren Gasdrucks hin erstrecken.
7. Dichtunganordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennz ei chnet, daß sich die Dichtlippe (52, 56, 66) der ringförmigen Dichtung (4o, 42, 6o) radial nach außen erstreckt.
8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7_T dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Innenkante (84) der zusätzlichen Dichtlippe (76, 78) kleiner ist als bei der ringförmigen Dichtung (4o, 42).

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