DE2248544A1

DE2248544A1 - THERMAL REGENERATOR IN PARTICULAR FOR GAS TURBINES

Info

Publication number: DE2248544A1
Application number: DE19722248544
Authority: DE
Inventors: Barnard Mark Cary Sedgwick
Original assignee: British Leyland Truck and Bus Div Ltd
Current assignee: British Leyland Truck and Bus Div Ltd
Priority date: 1971-10-06
Filing date: 1972-10-04
Publication date: 1973-04-12
Also published as: JPS4845940A; IT969471B; GB1356408A

Description

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DIPL-ING. P. WlRTH · DI PL-I NG. G. DAN N EN BERG DR. V. SCHMIED-KLOWARZIK · DR. P. WEINHOLD · DR. D. GUDELDIPL-ING. P. WIRTH DI PL-I NG. G. DAN N EN BERG DR. V. SCHMIED-KLOWARZIK · DR. P. WEINHOLD · DR. D. GUDEL

6 FRANKFURTAM MAIN6 FRANKFURTAM MAIN

GR. ESCHENHEIMER STRASSE 39GR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

2. Oktober 19722nd October 1972

Da/cl P.802Da / cl P.802

British Leyland Truck and Bus Division Limited Hough Lane, Leyland, Lancashire, EnglandBritish Leyland Truck and Bus Division Limited Hough Lane, Leyland, Lancashire, England

Thermischer Regenerator insbesondere für GasturbinenThermal regenerator especially for gas turbines

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Regeneratoren, auch als regenerative Wärmetauscher bezeichnet, von derjenigen Art, die eine rotierende,scheibenförmige Matrix verwendet.The invention relates to thermal regenerators, also known as regenerative heat exchangers, of the kind that have a rotating, disc-shaped matrix used.

Thermische Regeneratoren dieser Art werden gewöhnlich in Gasturbinenanlagen verwendet, um den Abgasen Wärme zu entziehen und diese der komprimierten Eingangsluft zuzuführen, bevor diese in die Verbrennungskammei* der Gasturbine eintritt. Die im Turbinengehäuse untergebrachte rotierende, scheibenförmige Matrix weist gewöhnlich einen porösen, hitzebeständigen Kern z.B. aus keramischem oder glaskeramischem Material auf und ist mit einer Vielzahl offenendiger, dünnwandiger, im wesentlichen parallel zur Rotationsachse liegender Kanäle ausgebildet. Sektorartige Zonen dieses Kerns werden, infolge seiner Drehung, wechselweise der Strömung der Abgase und der Strömung der komprimierten Eingangsluft ausgesetzt. Auf diese Weise wird die gewünschte Wärmeübertragung bewirkt.Thermal regenerators of this type are commonly used in gas turbine plants to extract heat from the exhaust gases and to supply this to the compressed inlet air before it enters the combustion chamber of the gas turbine entry. The rotating, disk-shaped matrix housed in the turbine housing usually has a porous, heat-resistant core e.g. made of ceramic or glass-ceramic material and is available with a variety of open-ended, thin-walled channels lying essentially parallel to the axis of rotation are formed. Sector-like zones this As a result of its rotation, the core becomes alternately the flow of the exhaust gases and the flow of the compressed Inlet air exposed. In this way the desired heat transfer is achieved.

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Natürlich ist es erforderlich, die beiden Gasströmungen jederzeit voneinander getrennt und einen Übertritt zwischen der von der komprimierten Eingangsluft eingenommenen Zone hohen Drucks und niedriger Temperatur und der von den Abgasen eingenommenen Zone niedrigen Drucks und hoher Temperatur minimal zu halten. Zu diesem Zweck ist es allgemein üblich, eine Dichtung zu verwenden, die in reibender Berührung mit der entsprechenden Oberfläche der Matrix steht und die an einem flexiblen bzw. elastischen, am Turbinengehäuse befestigten Element gelagert ist. Diese nachgiebige Lagerung dient nicht nur dazu,den Kontakt zwischen der Dichtung und der Oberfläche der Matrix während der anfänglichen Startperiode der Turbine aufrechtzuerhalten bis der die Dichtung belastende Differentialdruck sich einstellt ,sondern auch zur Kompensation der nicht unerheblichen Differentialbewegungen, die zwischen dem Turbinengehäuse und der Matrix bei hohen Temperaturen auftreten. Trotzdem stellt das Erreichen einer wirklich zuverlässigen Dichtung unter den vorherrschenden schwierigen Bedingungen immer noch ein Problem dar.Of course, it is necessary to separate the two gas flows from each other at all times and allow a transfer between them the high pressure and low temperature zone occupied by the compressed inlet air and that of the exhaust gases the occupied zone of low pressure and high temperature to a minimum. For this purpose it is common practice to use a seal which is in rubbing contact with the corresponding surface of the matrix and which is mounted on a flexible or elastic element attached to the turbine housing. This resilient storage not only serves to maintain contact between the gasket and the surface of the matrix during the initial start-up period to maintain the turbine until the differential pressure loading the seal is established, but also to Compensation of the not insignificant differential movements that occur between the turbine housing and the matrix at high Temperatures occur. Even so, achieving truly reliable poetry ranks among the predominant difficult conditions are still a problem.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Regenerator mit einer in einem Gehäuse eingeschlossenen rotierenden, scheibenförmigen Matrix, die von zwei getrennten, wärmetauschenden Strömungen durchsetzt wird, so auszubilden, dass eine besonders zuverlässige Dichtung zwischen den beiden Strömungen erreichbar ist.The invention is therefore based on the object of providing a thermal regenerator with an enclosed in a housing rotating, disc-shaped matrix, which is penetrated by two separate, heat-exchanging currents, see above to train that a particularly reliable seal between the two flows can be achieved.

Zu diesem Zweck kennzeichnet sich ein thermischer Regenerator nach der Erfindung dadurch, dass die Dichteinrichtung eine Gegenflächendichtung aufweist, die gegen die entsprechende Oberfläche der Matrix durch eine metallische Schraubenfeder gedrückt wird, die so angeordnet ist, dass dieFor this purpose, a thermal regenerator according to the invention is characterized in that the sealing device has a mating surface seal which is held against the corresponding surface of the matrix by a metallic helical spring is pressed, which is arranged so that the

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Last im wesentlichen rechtwinklig zur Achse der Schraubenfeder zur Einwirkung kommt und die Windungen der Schraubenfeder alle unter einem Winkel zur Richtung der Last liegen. Durch diese Anordnung einer seitlich belasteten Schraubenfeder ergibt sich die Biegung bei jedem Anstieg der einwirkenden Last als Vergrösserung des Winkels zwischen den Windungen der Schraubenfeder und der Richtung der Last. Load substantially perpendicular to the axis of the coil spring comes into effect and the coils of the coil spring are all at an angle to the direction of the load. With this arrangement of a laterally loaded helical spring, the bend results with every increase in the acting Load as an increase in the angle between the turns of the coil spring and the direction of the load.

Wenn bisher seitliche Belastungen (d.h. solche die quer zur Hauptachse cbr Feder zur Einwirkung kommen) über eine erhebliche Länge abgestützt werden mussten wie im Falle der ^: Dichtungen von rotierenden Wärmetauschern, wurden Federn in Form gewellter Metallstreifen verwendet. In diesem Falle wird .!.entweder eine Abstützung an relativ weit auseinanderliegenden Stellen längs der Feder erreicht, oder die Biegung ist beschränkt. Im Gegensatz hierzu ermöglicht die Verwendung einer metallischen Schraubenfeder gemäss der Erfindung eine seitliche Abstützung an Stellen geringen gegenseitigen Abstands über eine erhebliche Länge und gestattet eine grössere Biegung als eine Feder aus einem gewellten Metallstreifen, noch dazu in wirtschaftlicher Weise.If up to now lateral loads (ie those which come into effect transversely to the main axis cbr spring) had to be supported over a considerable length, as in the case of ^: Seals of rotating heat exchangers, springs in the form of corrugated metal strips were used. In this case, either a support at relatively widely spaced points along the spring is achieved, or the bending is limited. In contrast to this, the use of a metallic helical spring according to the invention enables lateral support at points of small mutual spacing over a considerable length and allows greater bending than a spring made of a corrugated metal strip, and this in an economical manner.

Die Erfindung ist nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung.näher erläutert, und zwar zeigen:The invention is explained in more detail below in an exemplary embodiment with reference to the drawing, namely show:

Fig. 1 schematisch und abgebrochen einen Axialschnitt durch einen thermischen Regenerator einer Gasturbine mit einer Dichtungseinrichtung nach der Erfindung; undFig. 1 shows schematically and broken off an axial section through a thermal regenerator of a gas turbine with a sealing device according to the invention; and

Fig. 2 abgebrochen eine. Seitenansicht einer Schraubenfeder als Teil der Dichtungseinrichtung gemäss 1.Fig. 2 canceled a. Side view of a coil spring as part of the sealing device according to 1.

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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel umschliesst ein Gehäuse 1, das während des Betriebs der Gasturbine von zwei getrennten, entgegengesetzt gerichteten gasförmigen, wärmetauschenden Strömungen durchsetzt wird, eine rotierende, scheibenförmige Matrix 2 eines thermischen Regenerators. Ein Stützring 3 trägt eine als Gegenflächendichtung ausgebildete Dichtung 4, die in reibender Berührung mit der entsprechenden Oberfläche der Matrix 2 aus keramischem oder glaskeramischem Material steht. Ein Stützring 3 für die Dichtung 4 ist durch eine vorstehende innere ringförmige Lippe 5 am Turbinengehäuse 1 befestigt. Ein abdichtender O-Ring 6 wird sowohl gegen die Lippe 5 als auch gegen die Unterseite des Stützrings 3 durch eine Schraubenfeder 7 gehalten, die aus Federstahl besteht und mit ihrer Seite am Turbinengehäuse 1 abgestützt ist, wobei die Schraubenfeder 7 zwischen dem O-Ring 6 und einem festen Widerlager, z.B. einer am Turbinengehäuse 1 angeschraubten Konsole 8 mit L-förmigem Querschnitt, festgelegt ist.In the embodiment shown in the drawing, a housing 1 encloses the during operation of the gas turbine is penetrated by two separate, oppositely directed gaseous, heat-exchanging flows, a rotating, disk-shaped matrix 2 of a thermal regenerator. A support ring 3 carries a mating surface seal formed seal 4, which is in frictional contact with the corresponding surface of the matrix 2 of ceramic or glass ceramic material. A support ring 3 for the seal 4 is annular by a protruding inner one Lip 5 attached to the turbine housing 1. A sealing O-ring 6 is against both the lip 5 and against the underside of the support ring 3 held by a helical spring 7 made of spring steel and with its side is supported on the turbine housing 1, the helical spring 7 between the O-ring 6 and a fixed abutment, e.g. a bracket 8 screwed to the turbine housing 1 and having an L-shaped cross-section.

Die Schraubenfeder 7 ist so ausgebildet, dass ihre Windungen in unbelastetem Zustand alle unter einem spitzen Winkel zu ihrer Längsachse A-A (Fig.2) liegen. Wenn die Feder wie oben beschrieben angeordnet ist (wobei sie sich ringförmig um die Achse der Matrix 2 erstreckt), so kommt die von ihr aufzunehmende Last seitens der Dichtung 4, des Stützrings 3 und des O-Rings 6 im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse A-A der Feder zur Einwirkung, und die Windungen der Schraubenfeder liegen alle unter einem mittleren Winkel a zu der Richtung 9, in der die Last wirkt.The helical spring 7 is designed so that its coils all close at an acute angle in the unloaded state their longitudinal axis A-A (Fig.2). When the spring is arranged as described above (whereby it turns into a ring extends around the axis of the matrix 2), the load to be absorbed by it comes from the seal 4, the support ring 3 and the O-ring 6 substantially perpendicular to the longitudinal axis A-A of the spring for action, and the coils of the Coil springs are all at a mean angle α to the direction 9 in which the load acts.

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Die Dichtung 4 kann aus jedem Material hergestellt sein, welches die erforderlichen Verschleisscharakteristiken in reibender Berührung mit dem Material der Matrix 2 bei den in Betracht kommenden Betriebstemperaturen aufweist. Im Falle der sogenannten "kalten Seite" der Matrix 2, also derjenigen Seite, wo die komprimierte Eingangsluft eintritt und die Abgase die Matrix verlassen und die Temperatur etwa 25O⁰C nicht überschreitet, ist Graphit ein geeignetes Material für die Dichtung 4.The seal 4 can be made of any material which has the required wear characteristics in frictional contact with the material of the matrix 2 at the operating temperatures in question. In the case of so-called "cold side" of the matrix 2, ie the side where the input compressed air enters and the exhaust gases leave the matrix and the temperature does not exceed about 25O ⁰ C, graphite is a suitable material for the gasket. 4

Der Stützring 3 für die Dichtung muss die erforderliche Festigkeit und auch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der mit dem des für die Dichtung 4 verwendeten Materials verträglich ist. Ein Material auf ferritischer Basis ist für den Stützring 3 geeignet.The support ring 3 for the seal must have the required strength and also a coefficient of thermal expansion which is compatible with that of the material used for the seal 4. A ferritic based material is suitable for the support ring 3.

■Der O-Ring 6, besteht aus einem hoch-temperaturbeständigen Elastomer, z.B. Silikonkautschuk.■ The O-ring 6 consists of a high temperature resistant Elastomer, e.g. silicone rubber.

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Claims

British Leyland Truck and Bus Division Limited P. 802

Patent claims:

Thermal regenerator with one arranged inside a housing and two separate, heat-exchanging ones Rotating, disc-shaped matrix permeated by gas flows, characterized in that a sealing device is provided, the seal (4) against the corresponding surface of the matrix (2) by a metallic Helical spring (7) is held, which is arranged so that the load (9) is substantially perpendicular to the Longitudinal axis (A-A) of the helical spring comes into play, the turns of the helical spring all towards the Are inclined in the direction of the load.

2. Thermal regenerator according to claim 1, characterized in that that the seal (4) is carried by a support ring held on an inner lip (5) of the housing (1) -> (3) and that an O-ring (6) made of high-temperature-resistant elastomer through the metallic helical spring (7) is pressed against both the lip (5) and the base of the support ring (3).

Patent attorney:

309815/0857309815/0857