DE2356578B2

DE2356578B2 - Drehspeicherwaermetauscher fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2356578B2
Application number: DE19732356578
Authority: DE
Inventors: Jack Juvisy sur Orge Guillot (Frankreich)
Original assignee: Bennes Marrel S.A., Saint-Etienne, Loire (Frankreich)
Priority date: 1972-11-22
Filing date: 1973-11-13
Publication date: 1976-10-14
Also published as: FR2207267B1; CS194167B2; FR2207267A1; SU565637A3; BR7309117D0; NL7314148A; CA1001610A; ATA963873A; ZA738804B; JPS541941B2; IT995946B; DE2356578A1; JPS49116639A; US3985181A; AU6193273A; CH573095A5; AT334698B; GB1427763A; DD109065A5; PL89543B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehspeicherwärmetauscher für Gasturbinen, bestehend aus einer innerhalb eines Stahlrings angeordneten und mit diesem über Mitnehmer verbundenen keramischen Wärmetauschscheibe, an deren Stirnflächen im Querschnitt sektorförmige, mit Dichtungen versehene Abschnitte der Strömungskanäle der durch den Wärmetauscher geleiteten Fluide anliegen, und deren Umfangsfläche zum Erzeugen einer radialen Druckspannung mit

Druckgas beaufschlagt ist.

Während des Betriebs wird die normalerweise durch fest gelagerte Rollen abgestützte und zentrierte Wärmetauschscheibe über eine an ihrem Umfang angeordnete Verzahnung, die mit einem Antriebsritzel in Eingriff steht, angetrieben. Die rotierende Wärmetauschscheibe liegt im Strömungsweg zweier Kanäle, beispielsweise eines sich sektorförmig über 120 Grad des Umfangs der Scheibe erstreckenden Frischluftkanals und eines auf den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten der Scheibe den restlichen sektorförmigen Bereich von 240 Grad einnehmenden Abgaskanals.

Es hat sich herausgestellt, daß die bekannten Drehspeicherwärmetauscher bei der Verwendung für Gasturbinen von Lastkraftwagen und anderen Fahrzeugen Mangel haben. Bei dieser Verwendung muß die Gasturbine plötzliche Geschwindigkeitsänderungen vertragen, die äußerst heftig sein können. Dabei wird das keramische Material der Wärmetauschscheibe Zug- und Scherkräften ausgesetzt. Dies ergibt sich insbesondei araus, daß die Scheibe verhältnismäßig schwer ist und Beschleunigungen beträchtliche Trägheitskraft entgegensetzt. Das beschleunigende Drehmoment wird über den äußeren Zahnring auf die Wärmctauschscheibe übertragen. Insbesondere am Außenumfang der Sciieibe treten die Zug- und Schubspannungen auf. wozu auch beiträgt, daß sich der Stahlring bei Erwärmung verhältnismäßig stark ausdehnt, während der Ausdehnungskoeffizient der keramischen Wärmetauschscheibe im wesentlichen Null ist oder sogar einen negativen Wert hat.

Es ist zwar bekannt (US-PS 34 30 687), zwischen dem Stahlring und der Wärmetauschscheibe radial wirkende Druckfedern anzuordnen. In der bekannten Ausführung sind die Federn jedoch verhältnismäßig schwach und mit weitem Zwischenabstand angeordnet, so daß sie im wesentlichen nur die Funktion erfüllen, eine elastisch nachgiebige Kupplung zwischen dem Stahlring und der Wärmetauschscheibe, welche beide unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, zu bilden.

Es ist weiterhin bekannt (DT-OS 22 06 621), den Umfang der Wärmetauschscheibe mit Druckgas zu beaufschlagen. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß auch der Antriebsmechanismus der Wärmetauschscheibe innerhalb der diese umgebenden ringförmigen Druckkammer liegt, so daß sich wegen der komplizierten Abdichtung des umgebenden Gehäuses eine verhältnismäßig aufwendige Konstruktion ergibt.

Ein weiterer Mangel der bekannten Drehspeicherwärmetauscher ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die plötzlichen starken Geschwindigkeit- und Belastungsänderungen der Gasturbinen von Lastkraftwagen in der Wärmetauschscheibe sich ändernde und unsymmetrische Wärmespannungen auftreten lassen. Dadurch finden an den Stirnflächen der Scheibe, deren Bereiche abwechselnd einem heißen und einem kalten Gasstrom ausgesetzt sind, Verformungen und Verwerfungen statt, so daß die dichte Anlage der sektorförmigen Dichtungselemente verloren geht. Die dadurch verursachten inneren Leckströmungen beeinträchtigen den Wirkungsgrad der Turbine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilderten Nachteile zu vermeiden und einen Drehspeicherwärmetauscher zu schaffen, bei welchem die Abdichtung des Ringraums um die Wärmetauschscheibe und der sektorförmigen Anschlüsse der Strömungskanäle vereinfacht und verbessert ist.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

gelöst, daß sich zwischen dem Stahlring und der Wärmetauschscheibe ein durch Dichtungen seitlich begrenzter Ringraum befindet, der über wenigstens einen durch die Wärmetauschscheibe geführten Verbindungskanal und einen zentralen Kanal in Verbindung steht mit dem Kanalabschnitt für die zu erwärmende Druckluft, dessen Sektor die Mitte der Wärmetauschscheibe einschließt.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß sich zwischen dem Stauring und der Wärmetauschscheibe ohne Schwierigkeiten ein leicht abzudichtender, mit Druckgas zu beaufschlagender Ringraum schaffen läßt, durch dessen Druck das Auftreten schädlicher Zugspannungen verhindert verden kann. Außerdem kann durch die Erfindung auch die stirnseitige Dichtung zwischen der Wärmetauschscheibe und den Sirömungskanälen vereinfacht und verbessert werden. Der Druckluftkanal erstreckt sich an seinem sektorförmigc.i Anschluß an <(ie Wärmetauschscheibe über einen Winkelbereich von 120 Grad. Somit ist auch nur dieser kleine Sektor abzudichten. Die schwierige stirnscitige Dichtung ist also auf den kleinsten und im Hinblick auf die Pichtungsproblenie vorteilhafterweise durch die Frischluft gekühlten Bereich beschrankt, wo die thermischen Verformungen minimal sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfühningsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

I i g. 1 einen Axialschnitt durch einen Wärmeta.ischer gemäß der Erfindung,

1 1 g. 2 eine Vorderansicht des Wärmetauschers nach

E ig. 5 eine perspektivische Dctailansicht einer Umfangsdichtung an der Wärmetauschscheibe des Wärmetauschers nach E i g. 1 und 2 und

I 1 g. 4 einen Teilschnittt durch den Umfangsbereich der Wärmetaiischscheibe und einen diese umgebenden Stahlring mit einer von der Ausführung nach E i g. 1 und

3 abweichenden Umfaiigsdichiiing.

Der in E i g. 1 und 2 dargestellte Drehspeicherwärmetauscher hat als Hauptteil eine poröse, keramische Wärmetaiischscheibe 1, die von einem Stahlring 2 mit einer Außen verzahnung 3, über die der Antrieb der Wärmetaiischscheibe erfolgt, umgeben ist. An den Stirnflächen der Wärmetauschscheibe liegt jeweils eine ^₅ Dichtung, bestehend aus Dichtungsleiste!. 4, 5 und β, an. Die Dichtung erstreckt sich über einen Umfangsbereich von 120 (irad. Der in sich geschlossene, scktorlörmige Umriß der Dichtung ist auf beiden Seiten der Wärmetaiischscheibe gleich und hat dieselbe Lage. Somit liegt die Wärmetaiischscheibe I zwischen zwei über sie in Verbindung stehenden Kanalabschnittcn 9 und 10, durch die in der durch Pfeile 11 angedeuteten Richtung frische Druckluft zur Turbine strömt.

Der übrige Bereich der Stirnflächen der Wärmetaiisehscheibc 1, welcher sich sektorförmig über ungefähr 240 Grad erstreckt, liegt entsprechend zwischen zwei aneinander anschließenden Kanalabschnitten, durch welche in entgegengesetzter Richtung heißes Abgas geleitet wird.

Die Gase können beispielsweise folgende Druck- und Temperatiirwerte haben:

Die entsprechend den l'feik-ii II strömende Frischluft hat vor der Wärmetaiischscheibe 1 einen Druck von

4 bar und eine Temperatur von l^c)^r) Grad Celsius. Nach Durchströmen der Wärmetaiischscheibe betrag! der Druck noch 3,9 bar und die Temperatur ist auf 598 Grad Celsius angestiegen.

35 Die in entgegengesetzter Richtung strömenden heißen Abgase haben vor der Wärmetauschscheibe einen Druck von 1,05 bar und eine Temperatur von 655 Grad Celsius, dahinter einen Druck von 1 bar und eine Temperatur von 252 Grad Celsius.

Im mittleren Bereich hat die Wärmetauschscheibe 1 einen Kern aus nicht porösem keramischem Material. Innerhalb dieses Kerns befindet sich ein axialer Kanal 15, der innerhalb der angeschlossenen Kontur der Dichtungsleisten 4, 5, 6 auf der mit Bezug auf die Strömungsrichtung der Druckluft vorderen Seite der Wärmetauschscheibe 1 mündet. Über den Kanal 15 kann deshalb kühle Druckluft einströmen.

Die mit 16 bezeichnete Unifangsfläche der keramischen Wärmetauschscheibe 1 ist ohne irgendeine Bearbeitung glatt und zylindrisch. Sie ist umgeben von einer verformbaren feuersicheren Umkleidung 17. z. B. aus Asbest. Diese wiederum ist von einem oder mehreren Mctallbändern 40 m-!schlössen.

Auf die keramische Wärineiausch.scheibe wird ein radialer Druck ausgeübt, indem /wischen dieser und dem Stahlring 2 ein abgedichteter Ringraum 20 ausgebildet ist, der mit Druckluft beaufschlagt wird. Die Druckluftzufuhr erfolgt von dem vor der Wärmetauschscheibe 1 liegenden Kanalabschnitt 9 aus, wo ein Druck von 4 bar herrscht. Die Druckluft tritt in den zentralen Kanal 15 ein und wird über mehrere Verbindungskanäle 21, die am Außenumfang der Wärmetaiischscheibe münden, in den Ringraum 20 geleitet. Im Beispielsfall nach F' i g. 2 sind drei Verbindungskanäle 21 vorgesehen.

Die seitliche Abdichtung des Ringraums 20 geschieht durch Dichtungsringe, deren Aufbau sich aus F i g. 3 ergibt. Sie bestehen jeweils aus einer zum Ring geschlossenen .Schraubenfeder 22, um die eine flexible Metallfolie 23 geschlagen ist, welche beispielsweise aus Nickel Chrom bestehen kann. Die mit 24 und 25 bezeichneten Randkanien der Metallfolie 23 begrenzen einen Ringspalt 26, welcher /um Inneren des Ringraums 20 weist. Die Ringspalte 26 sind also gegeneinander gerichtet, so daß die Druckluft in den von den Metallfolie!! 13 umschlossenen Innenraum der Dichtungsringe eindringt und die dichte Anlage der Metallfolien an den Dichtungsflächen des Stahlrings 2 und der Umkleidung 17 fördert.

Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß der Druck im Ringraum 20 mit der Belastung der Turbine schwankt, so daß auch die radial wirkenden Druckspannungen im keramischen Körper der Wärmetauschscheibe 1 eine der Belastung der Turbine entsprechende Größe haben.

In Fig. 4 ist eine Variante dargestellt, bei der die seitliche Abdichtung des Ringraums 20 durch Dichtungsringe 27 erfolgt, die beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt haben können. Radial gerichtete Druckfedern 28 und axial gerichtete Druckfedern 29, die sich am Stahlring 2 bzw. daran ansetzenden !!ansehen abstützen, halten die Dichtungsringe 27 in dichter Anlage einerseits an der äußeren Umkleidung 17 und andererseits an einem seitlichen Flansch 30 des Stahlrings 2.

In allen Fällen ist es vorteilhaft, durch den zentralen Kanal 15 111 der Wäruietausihscheibe 1 einen metallischen Zuganker 31 zu stecken, der einen äußeren Deckel 32 mit einem festen Gehäuse 33 der Turbine verbindet. Der Zuganker 31 verhindert, daß sich der Deckel 32 unter der Wirkung des inneren Gasdrucks ausbeult.

Der Zuganker 31 sitzt mit beträchtlichem Radialspiel 34 im Kanal 15, so daß ein ausreichend großer

Ringkanal zum Hindurchleiten von Druckluft zur Verfügung steht. An dem im Gehäuse 33 befestigten Ende 35 des Zugankers 31 sind innere Bohrungen 36 und 37 vorgesehen, die eine geringe innere Kühlluftströmung ermöglichen. Diese Leckströmung mischt sich danach wieder unter die Verbrennungsgase, wie durch Pfeile 38 angedeutet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehspeicherwärmetauscher für Gasturbinen, bestehend aus einer innerhalb eines Stahlrings angeordneten und mit diesem über Mitnehmer verbundenen keramischen Wärmetauschscheibe, an deren Stirnflächen im Querschnitt sektorförmige, mit Dichtungen versehene Abschnitte der Strömungskanäle der durch den Wärmetauscher geleiteten Fluide anliegen, und deren Umfangsfläche zum Erzeugen einer radialen Druckspannung mit Druckgas beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Stahlring (3) und der Wärmetauschscheibe (1) ein durch Dichtungen seitlich begrenzter Ringraum (20) befindet, der über wenigstens einen durch die Wärmetauschscheibe (1) geführten Verbindungskanal (21) und einen zentralen Kanal (15) in Verbindung steht mit dem Kanalabschnitt (9) für die zu erwärmende Druckluft, dessen Sektor (4, 5, 6) die Mitte der Wännetausch-Scheibe(l) einschließt.

2. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der von der Druckluft beaufschlagte Sektor (4, 5, 6) des Kanalabschnitts (9) über einen Umfangsbereich von Ungefähr 120Grad erstreckt.

3. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsringe (27) aus einem duktilen Material, wie z. B. Kupfer, Messing oder Asbest bestehen und durch an der inneren Umfangsfläche des Stahlrings (2) abgestützte, radial wirkende Druckfedern (28) an den Umfang der Wärmetauschscheibe (1) sowie durch an einem Innenllansch des Stahlrings (2) abgestützte, axial wirkende Druckfedern (29) an einen seitlichen Flansch (30) des Stahlrings (2) angedrückt sind.

4. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsringe aus ringförmig geschlossenen Schraubenfedern (22) und einer diese umgebenden Metallfolie (23) bestehen, deren Randkanten (24, 25) einen zum Ringraum (20) offenen Ringspalt (26) begrenzen.

5. Drehspeicherwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch den zentralen Kanal (15) in der Wärmeiauschscheibe (1) mit ausreichendem radialen Spiel (34) für eine Luftströmung ein Zuganker (31) erstreckt, der einen Deckel (32) mit dem Gehäuse (33) verbindet.

6. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (31) an seinem in dem Gehäuse (33) befestigten Ende (35) von dem zentralen Kanal (15) in den Verbrennungsgasstrom führende Bohrungen (36,37) aufweist.