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"Regenerativ-Wärmetauscher einer Gasturbine" Die Erfindung bezieht
sich auf einen Regenerativ-Wärmetauscher einer Gasturbine, dessen keramische Wärmetauscherscheibe
von einem metallischen Zahnkranz unter Bildung eines Ringraumes koaxial umgeben
ist, in dem in gleichmässigen Abstanden Blattfederelemente angeordnet sind, die
sich mit jeweils einem Mittelabschnitt und zwei Endabschnitten unter Vorspannung
eincrseits am Umfang der Wärmetauscherscheibe, andererseits an der Innenseite des
ahnkranzes abstützen. Die Blattfederelemente diellen dazu, die größere Wärmedehung
des metallischen Zahnkranzes gegenüber der keramischen Wärmetauscherscheibe, die
eine sehr kleine Wärmedehnungszahl aufweist, auszugleichen. Außerdem sollen diese
Blattfederelemente besonders die beim Anfahren und Beschleunigen von E;raftfarrzeuS-GasturbineIl
in Umfangsrichtung auftretenden Stöße elastisch abfangen.
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Bei einer bekannten derartigen Ausführung (OT-OS 2 224 191X) haben
die Blattfederelemente in axialer Richtung eine im wesentlichen starre, in radialer
Richtung und in Umfangsrichtung jedoch eine nachgiebige Gestalt, die sich gut aazu
eignet, die durch die erwähnten Einflüsse hervorgerufenen Relativbewegungen zwischen
der Wärmetauscherscheibe und dem Zahnkranz federnd aufzunehmen. Es hat sich jedoch
gezeigt, daß infolge der wechselnden Druck- und Temperaturverhältnisse
in
den zur WarmetauscI1erscheibe führenden Gaskanälen iiber deren Dichtungen zusätzlich
örtlich unterschiedliche und häufig wechselnde axiale Kräfte auf die Wärmet. cher£--cheibe
einwiricen. Diese können von den in axialer Richtung starren Blattfederelementen
nicht ausgeglichen werden. Dies führt zu unerwünschten Spannungen in der Wärmetauscherscheibe
u. weiter zur Abniitzung der Wärmetauscherscheibe und der Dichtungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beheben
und eine Befestigung der Wärmetauscherscheibe im Zahnkranz zu schaffen, die auch
axiale Kräfte elastisch aufnehmen kann. Dies geschieht nach der Erfindung dadurch,
daß die zwischen den Mittelabschnitt und jedem der Endabschnitte liegenden Abschnitte
der Blattfederelemente mindestens eine schraubenförmige Windung aufweisen, deren
Achse im wesentlichen radial in der Mittelebene der Wärmetauscherscheibe liegt.
Diese Anordnung erlaubt es, alle im Betrieb auftretenden i'elativbewegungen zwischen
der Wärmetauscherscheibe und dem Zahnkranz aufzunehmen. Ein besonderer Vorteil ergibt
sich daraus, daß die erfindungsgemäßen fllattfederelemente auch eine Taumelbewegung
der Wiirmetaus cherscheibe zulassen, die axial einwirkende Kräfte ausgleichen kann,
so daß Spannungen in der Wärmetauscherscheibe und eine übermässige Abnützung der
Anlageflächen der Wärmetauscherscheibe und der Dichtungen vermieden werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung
angegeben.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Ansicht eines in einem
Pegenerativ-Wärmetauscher eingebauten Blattfederelementes in schematischer Darstellung,
Fig.
2 eine Draufsicht auf dieses Blattfederelement mit einem am Umfang der Wärmetauscherscheibe
anliegenden Mitnehmerblech, Fig. 3 eine Schrägsicht auf einen Teil dieses fllattfederelementes
und des Mitnehmerbleches und Fig. 4 eine Ansicht eines ähnlichen eingebauten Blattfederelementes
in schematischer Darstellung.
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Die in Fig. 1 gezeigte Wärmetauscherscheibe 11 einer Kraftfahrzeug-Gas
turbine ist aus einem glaskeramischen Werkstoff hergestellt. Sie weist eine Vielzahl
kleiner Durciiganskanäle 12 auf, die wechselweise von heißen Abgasen und der zu
erwärmenden Verbrennungsluft durchströmt werden. Die Wärmetauscherscheibe 11 wird
unter Bildung eines Ringraumes 13 koaxial von einem Zahnkranz 14 aus legiertem Stahl
ungeben, der im nicht dargestellten Gehäuse der I;raftfahrzeug-Gasturbine drehbar
gelagert ist. Der Zahnlcranz 14 dient dem Antrieb der Wärmetauscherscheibe 11 und
wird seinerseits durch ein nicht dargestelltes Ritzel eines Nebenabtriebes der Gasturbine
angetrieben. Zwischen der Wärmetauscherscheibe 11 und dem Zahnkranz 14 sind in gleichmaßigen
Abständen Blattfederelemente 15 aus einem hochwarmfesten Chromnickelstahl eingespannt,
die den Ringraum 13 überbriicken und das Antriebsdrehmoment vom Zahnkranz 14 auf
die Wärmetauscherscheibe 11 übertragen.
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Die Blattfederelemente 15 weisen eine symmetrische Gestalt auf und
bestehen im wesentlichen aus einem Mittelabschnitt 16 und zwei Endabschnitten 17,
zwischen denen jeweils eine schraubenförmige Windung 18 angeordnet ist. Mit seinem
ltittelabschnitt
16 stiitzt sich jedes Blattfederelement 15 unter
Zwischenschaltung eines Mitnehmerbleches 19 am Umfang 20 der Wärmetauscherscheibe
11 und mit seinen Endabschnitten 17 an der Innenseite 21 des Zalmkranzes 14 ab.
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Der Mittelabschnitt 16 des BIattfederele-ientes 15 weist eine gegen
die Wärmetauscherscheibe 11 gerichtete etl-ra kreisbogenförmige Wölbung 22 auf,
die im Bereich ihres Scheitels mit dem entsprechend der Wärmetauscherscheibe 11
gewölbten Nitnelimerblech 19 z.B. durch Löten oder Schweißen verbunden ist. Das
Mitnehmerblech 19 ist,z.B. durch Aufkleben, mit einer Schicht 23 aus einem hitzebeständigen
elastischen Werkstoff versehen, die am Umfang 20 der Wärmetauscherscheibe 11 anliegt.
Die Schicht 23 ermöglicht eine schlupffreie Übertragung des Drehmomentes vom Zahnkranz
14 auf die Wärmetauscherscheibe 11 und schützt diese außerdem durch ihre 'iachgiebigkeit
vor Beschädigungen.
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Der liittelabschnitt 16 des Blattfederelementes 15 geht beiderseits
in die schraubenförmigen Windungen 18 über, deren Achsen im wesentlichen radial
in der ilittelebene der Wärmetauscherscheibe 11 liegen. An jede Windung 18 schließt
sich der gegen den Zahnkranz 14 gewölbte Endabschnitt 17 an, der in eine Öse 24
iibergeht, die an der Innenseite 21 des Zahnkranzes 14 anliegt. Die Breite jedes
Endabschnittes 17 nimmt von der Windung 18 ausgehend zu und erreicht im Bereich
der Öse 24 ihren größten Wert. Die Ösen 24 erleichtern die Verwendung von Werkzeugen
und Vorrichtungen beim Einbau der Blattfederelemente 15.
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Im Bereich der Ösen 24 jedes fllattfederelementes 15 ist jeweils ein
Laschenpaar 25 angeordnet, das den Zahnkranz 14 beiderseitig
umgreift
und in Ausnehmungen 26 an den Flanken 27 des Zahnkranzees 14 einrastet. Die Blattfederelemente
15 sind dadurch gegen axiales Verrutschen im Ringraum 13 zwischen der Wärmetauscherscheibe
11 und dem Zahnkranz 14 gesichert.
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Das Laschenpaar 25 hat in den Ausnehmungen 26 Spiel in Umfangsrichtung,
wodurch die Beweglichkeit der Endabschnitte 17 in dieser nichtung und damit auch
die des gesamten Balttfederelementes 15 erhöht wird.
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Neben den erlvähnten Bewegungen in radialer Richtung und in Umfangsrichtung
erlaubt das Blattfederelement 15 durch die Nachgiebigkeit seiner schraubenförmigen
Windungen 1o auch axiale und taumelnde Bewegungen der Wärmetauscherscheibe 11 gegenüber
dem im wesentlichen starr im Gehäuse gelagerten Zahnkranz 14. Da sich die Flächen
28 des Blattfederelementes 15 im Bereich der Windungen 18 im wesentlichen quer zu
deren Achse ausdehnen, haben die ITindungen 18 in axialer Richtung der Wärmetauscherscheibe
11 bei ausreichender Nachgiebigkeit doch eine verhältnismäßig steife Gestalt, so
daß die l;irmetauscherscheibe 11 selbst bei Taumelbewegungen stets zuverlässig im
Zahnkranz 14 gehalten wird.
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Das in Fig.4 gezeigte Blattfederelement 29 hat im wesentlichen den
gleichen Aufbau wie das oben erläuterte Beispiel. die dieses stützt es sich mit
einem Mittelabschnitt 30 an einer Wärmetauscherscheibe 31 und mit seinen beiden
8,ndabschnitten 32 an einem Zahnkranz 33 ab und hat zwischen diesen Abschnitten
jeweils eine schraubenförmige Windung 34. Der Mittelabschnitt 30 des Blattfederelementes
29 weist ebenfalls eine kreisbogenförmige Wölbung 35 auf, mit der es jedoch in einer
muldenförmigen Vertiefung 36 am Umfang 37 der Wärmetauscherscheibe 31 aufliegt.
An dieser Stelle weist die Wärmetauscherscheibe 31 einen massiven glaskeramischen
Einsatz 38 auf, der
ein widerstandsfähiger Federwiderlager ergibt.
An die lfölbung 35 schließen sich Zwischenabschnitte 39 an, die über der konkaven
Seite der Wölbung 35 einwärts gebogen sind und im mittleren Bereich in zwei schräg
auswärtsgerichtete Schenkel 40 und danach in die schraubenförmigen Windungen 34
übergehen. Die Endabschnitte sind ebenfalls mit Ösen 41 und Laschenpaaren 42 versehen.
Das 3lattfederelement 29 hat den Vorzug, daß es aus einem Stück hergestellt werden
kann. Durch seine Gestalt ermöglicht auch das fllattfederelement 29 alle einfachen
und zusammengesetzten Relativbewegungen in radialer und axialer Richtung sowie in
Umfangsrichtung zwischen der Wärmetauscherscheibe 31 und dem Zahnkranz 33.