DE2350524A1 - Drehspeicherwaermetauscher, insbesondere fuer eine gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Pat exit an walte
Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

am Main Staufenstrasr,c -/',

In Sachen:

Bennes Marrel S.A.
SAINT-ETIENKE

Drehspeicherwarmetauscher, insbesondere für eine Gasturbinenanlage.

Die Erfindung betrifft' einen Drehspeicherwarmetauscher, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit einer innerhalb eines metallischen Zahnkranzes angeordneten Scheibe aus wabenförmigem keramischen Material.

Es ist bekannt, Wärmetauscher in Form einer Scheibe aus einem wabenförmigen keramischen Material herzustellen, die im Inneren einer metallischen Felge mit einer Verzahnung auf der Außenseite befestigt ist, in die eine oder mehrere Antriebsritzel eingreifen»

In der Praxis ergeben sich Schwierigkeiten für die Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen der keramischen Scheibe und der metallischen Felge. Die Bruchempfindlichkeit der wabenförmigen keramischen Scheibe verbietet deren Antrieb über eine zentrale Wabe. Demgegenüber wirft der Antrieb über die Umfangsfelge Probleme auf, die von dem großen Unterschied zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials und Stahl herrühren. Der Ausdehnungskoeffizient des Stahls der Jfabe liegt in der Größenordnung von 1,2 χ 10 rj demgegenüber ist der Ausdehnungskoeffizient des jf/a.benförmigen keramischen Materials Null und kann sogar leicht negativ oberhalb Temperaturen von 500⁰C seine Demzu-

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folge lassen sich bei einer Wärmetauscherscheibe, deren Durchmesser etwa 40cm beträgt, Ausdehnungsunterschiede in der Größenordnung von 2mm Durchmesser in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Turbine beobachten.

Es läßt sich feststellen, daß die bis heute bekannten System zur Herstellung der Verbindung zwischen der Stahlfelge und dem Mantel der keramischen Scheibe folgende beiden Hauptnachteile aufweisen:

- in erster Linie ist es generell erforderlich, an der Umfangsfläche der keramischen Scheibe quergerichtete Ausnehmungen zur Anordnung von Verbindungs- und Mitnehmerelementen der Felge vorzusehen, deren Herstellung in dem wabenförmigen keramischen flaterial eine sehr schwierige und äußerst kostspielige Arbeit verlangt;

- daneben treten Lokalisierungen von Einschnürungen im keramischen. Material am Boden der Waben auf, die im Betrieb zunehmend Risse in Erscheinung treten lassen, die zur Zerstörung der Wärmetauscherscheibe führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorerwähnten Nachteile durch Schaffung einer Wärmetauscherscheibe z\i vermeiden, deren aus wabenförmigem keramischen Material bestehender zentraler Teil ständig innerhalb der einen metallischen Zahnkranz bildenden Felge auf vollständige Weise zentriert ist, welche Temperaturen auch immer im Betrieb auftreten mögen. Darüber hinaus soll' die Erfindung die Schaffung einep Wärmetauschers zu einem vergleichsweise niedrigen Preis ermöglichen.

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Ausgehend von einem Drehspcicherwärmctnunohor dor eingangs genannten Art wird die vorstehende Aufgabe; erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die keramische Scheibe eine ringsum, geschlossene Mantelfläche aufweist, auf welcher eine Ringschicht aus einem feuerfestem nachgiebigen Material wie Asbest durch mehrere nebeneinander längs der Dicke der Scheibe angeordnete und mit ihren Stoßen in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Helfen verspannt ist, und daß ein jeder Reifen eine Verankerungsstelle für das eine Ende . einer metallischen Speiche aufweist, deren anderes Ende an der Innenseite des Zahnkran-ses verankert ist, wobei die Speichen rund um die Scheibe verteilt sind und sich schräg durch den Ringspalt swisehen der Außenseite der Scheibe und dem Inneren des Zahnkransas erstrecken.

Ein erstes Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht in elastischen Mitteln zur Aufrechterhaltung der Spannkraft eines jeden Keifens gegenüber der Ringschicht, Diese elastischen Mittel umfassen zweckmäßig die beiden Enden eines jeden Reifens, welche gegeneinanderweisend nach außen abgebogen und durch mindestens eine Schraube miteinander verbunden sind, deren Kop.f sich über einen Stapel Tellerfedern gegen den entsprechenden Flansch des Reifens abstützt, so daß eine jede Durphmesseränderung der Scheibe die Stauchung des JPe&erstapels · · ändern läßt. -

Nach einem anderen Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der-Erfindung sind auf die axiale Dicke der Scheibe nebeneinanderliegende Reifen verteilt, und es sind dementsprechend neun Verankerungsspeichen innerhalb des Zahnkranzes vorhanden. Dabei sind die

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Verankerungen einer jeden Speiche vorzugsweise gelenkig ausgebildet, so daß beim Auftreten von Temperaturschwankungen die Wärmeausdehnung freies Spiel hat und sich die Scheibe in Umfangsrichtung im einen ' oder anderen Sinne leicht innerhalb des Zahnkranzes drehen kann, ohne daß sich die genaue Zentrierung innerhalb des Zahnkranzes ändert.

Schließlich erfolgt nach einem weiteren Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Antrieb der keramischen Scheibe unter Zuhilfenahme der Verspannung der Reifen auf der feuerfesten, nachgiebigen Ringschicht.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehspeicherwärmetauscher β wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Eb zeigenι

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdar-

stellung der verschiedenen, größtenteils

^ν··;Μ ■

- nur mit einem Teil ih^af_f Umfangs gezeigten Einzelteile eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung, wobei die wahren Größenverhältnisse der einzelnen Teile zueinander aus Gründen dar Deutlichkeit nicht berücksichtigt sind,

Fig. 2 die Stirnansicht des fuaqminengebauten Wärmetauschers,

Fig. 3 den Ausschnitt III auf Fig. 2 in größerem Maßstab und detaillierterer Darstellung, . ^; :

Fig. 4 einen gekrümmten Schnitt nach Linie IV-IV

in lig. 3 und 409818/0815

Fig. 5 in perspektivische? Darstellung die Anordnung von drei benachbarten Reifen»

Der in der Zeichnung dargestellte Wärmetauscher weist eine flache Scheibe 1 aus keramischem Material mit Wabenstruktur auf. Diese Struktur ist an sioh bekannt. Sie gestattet das Durchströmen einer Flüssigkeit oder' eines Gases von einer Stirnseite der Scheibe 1 zur anderen längs deren Dicke· Das verwendete keramische ■Material hai; einen Ausdehnungskoeffizienten von Null, der sqgar negativ sein kann«

Es ist zu bemerken, daß die Scheibe 1 vollständig zylindrisch ist, d.h. es ist nicht erforderlich, irgendeine Aussparung an ihrem Mäntelumfang vorzusehen,

Die, kgraraisohe Soheibe 1 ist im Inneren einer Felge oder amines Kranzes 2 aus Stahl angeordnet* Dieser Kranz 2 besitzt eine Außenverzahnung 3 s die. dazu dient« den Wärmetauscher in Drehung zu versetzen

Gemäß der Erfindung befindet sich auf der zylindrischen Mantelfläche der Scheibe 1 eine Ringschicht 4· aus einem nachgiebiger feuerfesten Material wie Asbest. Um diese Ringschicht 4- sind nebeneinander angeordnete Reifen 5, 6»7 usw., verspannt. Ein jeder Reifen besitzt an seinen Enden zwei Flansche 8 und 9» die durch Verschraubung mit Hilfe von Schrauben 10 (Fig. 4·) verspannt, sind. Darüber hinaus befindet sich zwischen Jedem Schraubenkopf 11 und dem enteprephenden Flansch ein Stapel von Tellerfedern 12. So^t'gestattet das eventuelle Ausdehnungsspiel der Scheibe 1 den Flanschen 8- rad.9 naeh der Yerspannrag des H@if@as 5? sich

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die Verspannung durch die Verspannkraft durch die Tellerfedern 12 aufrechterhalten wird.

Der Plansch 8 - bzw. ein in der Zeichnung dargestelltes Widerlager an diesem Flansch, in welches die Schrauben 10 eingreifen, - ist mit einem quergerichteten Bolzen 13 als Schwenkachse einer schwingenförmigen Speiche 14 zur Verbindung mit dem Zahnkranz 2 versehen, an welchem die Speiche 14 schwenkbar, angelenkt ist. Zu diesem Zweck besitzt der Zahnkranz 2 vorzugsweise U-fb'rmigen Querschnitt (s. Fug. 1 und 4), wobei die beiden U-Schenkel gegen die Scheibe 1 gerichtet sind. Zwei Wurmschrauben 15, die gegeneinandergerichtet in die U-Schenkel des Zahnkranzes 2 eingeschraubt sind, bilden eine Schwenkachse, an welcher die Speiche 14 angelenkt ist.

Die Reifen wie die dargestellten Reifen 5» 6, 7 können beispielsweise die Gesamtzahl von ''neun" besitzen. Aus den Fig. 1, 2 und 5 iat ersichtlich, daß die Reifen gegeneinander regelmäßig in Winkel versetzt sind, so daß die Verbindungen der Flansche 8, regelmäßig über den Umfang der Scheibe 1 verteilt sind. Ein jedes Paar der Flansche 8, 9 ist mit dem Zahnkranz durch eine Speiche 14 gelenkig verbinden, Es läßt sich somit erkennen, daß die Speichen 14 zwischen der Scheibe 1 und dem Zahnkranz 2 in einer Weise analog der JAnoränung der Radspeichen eines Zahnrades zwischen Nabe und Felge verteilt-sind. Diese. Anordnung ergibt drei prinzipielle Vorteile, nämlichV;:

a) sie ist äußerst wenig sperrig, indem die Teile 8, 9 und 14 praktisch ira Inneren der U-I¹OEM des Zahnkranzes 2 Platz finden- könaes. (Pig- 2)ι ·

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b) das unterschiedliche Ausdehnungsspiel zwischen dem Stahl des Zahnkranzes 2 und dem keramischen Material der Scheibe 1 ruft eine einfache Relativdrehung der Scheibe 1 innerhalb des Zahnkranzes als Folge einer sehr geringen Amplitudenänderung hervor; diese Drehung beeinträchtigt nicht die Aufrechterhaltung einer genauen Zentrierung der Scheibe 1 innerhalb des Zahnkranzes.2;

c) wie bereits erwähnt, gestattet diese Anordnung die Verwendung einer Keramikscheibe 1 im Hoh~ zustand, d.h. ohne jede Bearbeitung zur Herstellung von Aussparungen oder Zellen, die der Verankerung dpr verschiedenen Teile dienen,.

Pat ent anspräche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   \1./ Drehspeicherwärmetauscher, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit einer innerhalb eines metallischen Zahnkranzes angeordneten Scheibe aus wabenförmigem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet , daß die keramische Scheibe (1) eine ringsum geschlossene Mantelfläche aufweist, auf welcher eine Ringschicht (4) aus einem feuerfestem nachgiebigen Material wie Asbest durch mehrere nebeneinander längs der Dicke der Scheibe (1) angeordnete und mit ihren Stoßen in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Reifen (5, 6» 7) verspannt ist, und daß ein jeder Reifen (5, 6» 7) eine Verankerungsstelle (13) für das eine Ende einer metallischen Speiche (14-) aufweist, deren anderes Ende an der Innenseite des Zahnkranzes (2) verankert ist, wobei die Speichen (14-) rund um die Scheibe (1) verteilt sind und sich schräg durch den Ringspalt zwischen der Außenseite der Scheibe (1) und dem Inneren des Zahnkranzes (2) erstrecken,

   2· Drehspeiche.rwärmeta.uscher naph Anspruch 1, gekennzeichnet durch elastische Mittel (8 bis 12) zur Aufrechterhaltung der Spannkraft eines jeden Reifens (5, 6, 7) gegenüber der Ringschicht (4·).

   3. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Mittel die beiden Enden (8, 9) eines jeden Reifens umfassen, welche gegeneinanderweisend nach außen abgebogen und durch mindestens eine Schraube

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   (10) miteinander verbunden sind, deren Kopf (11) sich über einen Stapel Tellerfedern (12) gegen den entsprechenden Flansch(9) des Reifens (5, 6, 7) abstützt, so daß eine jede Durchmesseränderung der Scheibe (1) die Stauchung des Federstapels (12) ändern läßt.

   4. Drehspeicherwarmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß auf die axiale Dicke der Scheibe (1) neun nebeneinanderliegende Reifen (5, 6, 7) verteilt und dementsprechend neun Verankerungsspeichen innerhalb des Zahnkranzes (2) vorhanden sind.

   5. Drehspeicherwarmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Verankerungen (13 bzw. 15) einer jeden Speiahe (14) gelenkig ausgebildet sind, so daß beim Auftreten von Temperaturschwankungen die Wärmeausdehnung freies Spiel hat und sich die Scheibe (1) in Umfangsriohtung im einen oder anderen Sinne leicht innerhalb des Zahnkranzes (2) drehen kann, ohne daß sich die genaue Zentrierung innerhalb des Zahnkranzes (2) ändert.

   6. Drehspeicherwarmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß.der Antrieb der keramischen Scheibe (1) unter Zuhilfenahme der Verspannung der Reifen (5» 6, 7) auf der feuerfesten, nachgiebigen Ringschicht erfolgt· ^:

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