DE2356578C3 - Drehspeicherwärmetauscher für Gasturbinen - Google Patents

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 Drehspeieherwarmetauscher bei der Verwendung für Gasturbinen von Lastkraftwagen und anderen Fahrzeugen Mangel habeii. Bei dieser Verwendung muß die Gasturbine plötzliche Geschwindigkeitsänderungen vertragen, die äußerst heftig sein können. Dabei wird das keramische Material der Wärmefauschsrheibe Zug- und Scherkräften ausgesetzt. Dies ergibt sich insbesondere daraus, daß die Scheibe verhältnismäßig schwer ist und Beschleunigungen beträchtliche Trägheitskräfte entgegensetzt. Das beschleunigende Drehmoment wird über den äußeren Zahnring auf die WUrmetauschscheibe übertragen. Insbesondere am Außenumfang der Scheibe 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 /war bekannt (US PS 34 JO b87), zwischen dem Stahlring und der WarmetausLhs^heibe 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 (DI OS 22 06b21). 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 Drehspeieherwarmetauscher ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die plötzlichen starken Geschwindigkeits- und BeIashingsänderungen 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 Drehspeieherwarmetauscher 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

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Die f rfmdung wird nachstehend anhand von m ;S Zeichnung clarKfstelller, AiisfiihrungsbeispiL-len naher

f . ! finen Λ/ialschnitidiirch einen W^rmei,(!iv her gemdtwler Erfindung.

F ι g 2 eine Vorderansicht de«. Warrnetaiisthe·-. nach

Fig 1
Fig 5 eine perspektivische Detail.msicht einer

Umf<tng<.di( hiung an der WärmetaiischschcMbe des Wärmetauschers nach f ι g 1 und 2 und

F ig 4 einen Teilschnittt durch den I imfang.bereich der Wärmctiiuschscheibe und einen diese umgebenden Stahlring mit einer von der Ausführung nach 1 ι g 1 und 3abweit hemien llmfangsclichtiing.

Der in F ig. I und 2 dargestellte Drehspeicherwärme tauscher hat als Hauptteil eine poröse, keramische Warmetauschwheibe I. 'lic von einem Stühlnng 2 mit einer Aufienver/ahnung I, über die der Antrieb der Wiirmciauschscheibc erfolgt, umgeben ist. An den SiirnMüi hrr der Wärme!atischschcibc liegt icweils eine Dichtung, bestehend aus Dichtungsleiste!! 4, 5 und 6. an. Du- Dichtung erstreckt sich über einen I Imfangsbereich von 120 (»rad. Der in sich geschlossene, sekiorförmige Umiili der Dichtung ist auf beiden Seilen der Warmelauschscheibc gleich und hat dieselbe Lage. Sonnt liegt die Wärmeüiuschscheibc 1 /.wischen zwei iiber sie in Verbindung stehenden Künalabschnitten 9 iitul 10. durch die in tier durch Pfeile 11 angedeuteten Richtung frische Druckluft /iir Turbine Mremit.

Del übrige Bereich der Stirnflächen <l< 1 Wanne tiiuschscheibe 1, welcher sich sekiorförmig über ungrliiht 240 (irnil erstreckt, liegt entsprechend /wischen rwpi aneinander anschließenden Kanalab schniUcn, durch welche in entgegengesetzter Richiung heißes Abgas geleitet wird.

Die ("hisc können beispielsweise fiilgeiule Druck und TcmpeiiiUirwcrtc haben

Die entsprechend ilen Pfeilen 11 strömende I nschluit hat vor «.Irr Wiumetauschscheibe I einen Druck von 4 bur und eine Temperatur von IT) Grad < 'clsnis. Nach Durchströmen der Witrmctausi hseheibe betrügt der Drink noch 1.9 Iw und die Temperatur ist auf ^r)^l)8 Gnul Celsius l

dem vamrtng ί <_m _ails^^„

ausgebildet ist. der mit Druckluft beaufschlagt Druckluftzufuhr erfolgt von dem -.or der Warn·.. ausch scheibe I lieg-.-riden Kanalabschnin 3 jus. »ο ein Dmck von 4 bar her-seht. Die Druckluft triM in den Zi-nrraien Kanal 15 ein und wird über mehrere \ erbindungskan j'.e 21. die am \ußenumfanji der Warmetaus^hs^heibe munden, in den Hin^raum 20 geltitet. Im Beispie'sfjl! yj nach F tg 2 sind drei Verbindungskanaii: 21 vorgesehen. Die seitliche Abdichtung des Rinerja.n·. 20 geschieht durch Dichtungsringe, deren 'Uifbsu sich aus F 1 a. i 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 nut 24 und 25 bezeichneten Randkdnten der Metallfolie 23 begrenzen einen Ringspalt 2(i. welcher zum Inneren des Ringraums 20 weist. Die Ringspalte 26 sind also gegeneinander gerichtet, so daÜ die Druckluft in den von den Metallfolien 13 umschlossenen Innenraum der Dichtungsringe eindringt und die dichte Anlage der Metallfolien an den Dichtungsflächen des Stahlnngs 2 und der Umkleidung 17 fordert.

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 Warmetauschscheibe 1 eine der Belastung der Turbine entsprechende Größe haben. 50 In I 1 g. 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 55 sich am Stahlmg 2 bzw daran ansetzenden Flanschen abstutzen, halten die Dichtungsringe 27 in dichter Anlage einerseits an der äußeren Umkleidung 17 und andererseits an einem seitlichen Flansch 30 des

Stahlrings 2.

60 In allen Fällen ist es vorteilhaft, durch den zentralen Kanal 15 in der Wärmetauschscheibe 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

(,s Deckel 32 unter der Wirkung des inneren Gasdrucks

ausbculi.

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 (6)

1. Patentansprüche:

   I. 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 DruckspannuijgXmit Druckgas beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Stahlring (2) und der Wärmetauschscheibe (1) eir. durch Dichtungen seitlich begrenzter Ringraum (20) befindet der über wenigstens einen durch die Wärmetauschscheibe (1) ieführten Verbindungskanal (21) und einen zentra- :n Kanal (15) in Verbindung steht mit dem Kanalabschnitt (9) für die zu erwärmende Druckluft, dessen Sektor (4, 5, 6) die Mitte der Wärmetauschicheibe (1) einschließt.
2. 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 120 Grad erstreckt.
3. 3. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 1 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 lnnenflansch des Stahlrings (2) abgestützte, axial wirkende Druckfedern (29) an einen seitlichen Flansch (30) des Stahlrings (2) angedrückt sind.
4. 4. Drehspeieherwarmetauscher 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. 5. Drehspeieherwarmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch den zentralen Kanal (15) in der Wärmetauschscheibe (1) mit ausreichendem radialen Spiel (34) für eine Luftströmung ein Zuganker (31) erstreckt, der einen Deckel (32) mit dem Gehäuse (33) verbindet.
6. 6. Drehspeieherwarmetauscher 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.