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"Abdichtung für einen Regenerativ-Warmetausc}ler" Die Erfindung bezieht
sich auf eine Abdichtung zwischen den Gaskanälen und dem drehbaren Speicherkörper
eines Regenerativ-Wärmetauschers für Gasturbinen, die aus einer mit einer Gleitschicht
versehenen Dichtleiste und aus einem am Gehäuse befestigten elastischen Verbindungsteil
aus einer warmfesten Legierung zusammengesetzt ist.
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Derartige Abdichtungen haben die Aufgabe, ein Übertreten von Gasen
von einem Kanal in einen anderen im Bereich der Wärmetauscherscheibe zu verhindern.
Die dazu benützten Dichtelemente sind dabei stark voneinander abweichenden Tempera
-turen ausgesetzt. So werden beispielsweise die Innenseiten der Dichtelemente des
Abgaskanales von sehr heißen Gasen durchströmt, während deren Außenseiten von Luft
umgeben sind, die eine verhältnismäßig niedere Temperatur hat. Bei einer radialen
Erstreckung eines Dichtelementes von wenigen Zentimetern können dabei Temperaturgradienten
von mehreren Ilundert Grad Celsius auftreten.
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Die durch diese großen Temperaturunterschiede in den Bauteilen erzeugten
Spannungen können bei den federnden Verbindungsteilen zwischen dem Gehäuse und der
Dichtleiste durch elastische Verformung ausgeglichen werden. Auch in den verhältnismäßig
dünnen Gleitschichten, die von Poren und Rissen durchsetzt sind, entstehen infolge
dieser Struktur keine
Spannungen. Dagegen kann das starke Temperaturgefälle
in den Dichtleisten Verwerfungen hervorrufen, die zu einem stellenweisen Abheben
der Dichtelemente vom Speicherkörper fiihren, so daß diese ihre Aufgabe nur noch
unvollkommen erfüllen können. Eine völlig zufriedenstellende Lösung dieses für das
wirtschaftliche Arbeiten eines Regenerativ-Wärmetauschers wesentlichen Abdichtungsproblemes
konnte mit den bisher iiblichen Dichtelementen noch nicht erzielt werden.
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Bei einer bekannten Abdichtung (DT-AS 2 139 002) sind die Dichtleisten
aus einem ferritischen Stahl hergestellt, während die elastischen Verbindungeteile
aus einer Nickel-Chrom-Legierung bestehen. Eine Dichtleiste aus unlegiertem Stahl
weist jedoch bei den vorkommenden hohen 3etriebstemperaturen nicht die erforderliche
Oxydationsbeständigkeit auf.
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Außerdem weicht der Wärmedehnwert dieser Dichtleiste wesentlich von
dem des Verbindungsteiles aus einer warmfesten Nickel-Chrom-Legierung ab, so daß
sich im Bereich ihrer Verbindungsflächen Spannungen aufbauen, die zu unerwünschten
Verformungen und darüber hinaus zu Schäden an den Dichtelementen führen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beheben
und eine formbeständige und dauerhafte Abdichtung zwischen den Gaskanälen und dem
Speicherkörper zu schaffen.
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Dies geschieht dadurch, daß die Dichtleiste aus Nickel besteht. Eine
derartige Dichtleiste zeichnet sich durch einc gute Oxydationsbeständigkeit aus.
Außerdem ermöglichen gleiche Wärmedehnwerte der verwendeten erkstoff.e eine über
den gesamten Temperaturbereich des Wärmetauschers spannungs freie Verbindung der
Dicht leiste mit einem Verbindungsteil aus einer warmfesten Nickel-Chrom-Legieruiig.
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Es sind zwar auch Dichtleisten aus austenitischen Cllromnickelstählen
ebenso wie solche aus Nickel-Chrom-Legierungen beliannt, die zwar oxydationsbeständig
sind, die jedoch eine verhnltnisr.;äßiU schlechte Wärmeleitfähigkeit haben. Dadurch
bilden sich während des Betriebes des Wärmetauschers erhebliche Temperaturgradienten
innerhalb der Dichtleiste aus, die Verformungen hervorrufen können, die zum stellenweisen
Abheben der Dichtleiste vom Speicherkörper führen. Demgegenüber sind die Temperaturgradienten
in Dichtleisten aus Nickel, das gegenüber den genannten Werkstoffen eine etwa dreimal
so hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, durch den rascheren Temperaturausgleich wesentlich
kleiner. Dies ermöglicht infolge der damit verbundenen Formbeständigkeit der Dichtleiste
des Wärmetauschers eine gute Anlage der Dichtleiste am Speicherkörper auch bei wechselnden
Betriebsbedingungen.
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Gegenüber austenitischen Chromnickelstählen hat Nickel zusätzlich
den Vorzug eines kleineren Wärmedehnwertes, wodurch die Bildung von Wärmespannungen
in der Dichtleiste weiter verringert wird. Wahrend sich bei Dichtleisten aus austenitischen
Chromnickelstählen infolge verschiedenen Warmedehnwerte an den Verbindungsstellen
mit den üblichen Verbindungsteilen aus Wicliel-Chronz-Legierungen Spannungen ergeben,
entfallen diese, wie bereits erwähnt, bei Dichtleisten aus Nickel.
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Im Vergleich zu Legierungen auf Nickel-Chrom-Basis hat Nickel eine
niedrigere Streckgrenze, Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß durch Temperaturunterschiede
bewirkte Spannungen, die iiber ein gewisses Maß hinausgehen,in der Dichtleiste durch
plastische Verformungen abgebaut werden können und so nicht zum Versagen der Abdichtung
fiihren.
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Die Verwendung von Nickel für die Dichtleiste weist gegenüber den
bisher üblichen Werkstoffen eine Vielzahl wesentlicher, sich gegenseitig unterstiitzende
Vorteile auf 1 die zu einer funktionssicheren Abdichtung der Gaskanäle im Bereich
des drehbaren Speicherkörpers führen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen.
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Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch einen Pegenerativ-Wrmetaus cher
in schematischer Darstellung, Pig. 2 eine Draufsicht auf die beiden an der einen
Seite des Speicherkörpers anliegenden Dichtelemente und Fig. 3 einen Querschnitt
durch ein Dichtelement.
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Der in Fig.1 dargestellte Regenerativ-Wärmetauscher einer Kraftfahrzeug-Gasturbine
besteht im wesentlichen aus einem auf einer Achse 11 in einem Gehause 12 drehbar
gelagerten scheibenförmigen Speicherkörper 13, aus Kanalen 14 und 15 für die Verbrennungsluft
sowie aus Kanälen 16 und 17 für die Abgase. Der Speicherkörper 13, der aus einem
glaskeramischen Werkstoff hergestellt ist, wird in axialer Richtung von einer Vielzahl
kleiner Durchgangskanale 18 durchsetzt.
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Auf dem Mantel 19 des Speicherkörpers 13 ist mit elastischen Zwischengliedern
20 ein koaxialer Zahnkranz 21 befestigt.
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Ein auf einer Welle 22 im Gehause 12 gelagertes Ritzel 23 greift in
den Zahnkranz 21 ein. Der Speicherkörper 13 kann über den Zahnkranz 21, das Ritzel
23 und die Welle 22 von
einem nicht dargestellten Nebenabtrieb der
Gasturbine in Drehung versetzt werden.
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Während des Betriebes der Gasturbine pferden deren heiße Abgase durch
den Kanal 16 zu dem angetriebenen Speicherkörper 13 geleitet, dessen Durchgangskanäle
18 sie durchströmen und dabei einen Teil ihrer Wärme an den Speicherkörper 13 abgeben.
Die aufgeheizten Abschnitte des Speicherkörpers 13 werden durch dessen ständige
Drehung laufend in den Bereich der Kanäle 14 und 15 gerückt. Dadurch kann die vom
Verdichter der Gasturbine geförderte Verbrennungsluft verhältnismäßig niederer Temperatur
durch den Kanal 14 in die aufgeheizten Durchgangskanäle 18 einströmen und dort Wärme
aufnelrmen. Die so erhitzte Verbrennungsluft wird durch den Kanal 15 der Brennkammer
der Gasturbine zugeführt. Gleichzeitig verlassen die im restlichen Abschnitt des
Speicherkörpers 13 abgelciihl-ten Abgase das Gehäuse 12 des Wärmetauschers durch
den Kanal 17.
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Die Kanäle 14 bis 17 weisen, wie Fig.2 erkennen läßt, im Bereicii
des Speicherkörpers 13 eine etwa halbkreisförmige Querschnittsfläche auf, die eine
maximale Beaufschlagung des Speicherkörpers 13 erlaubt. An den Stirnseiten 24 der
Wände 25 der Kanäle sind dem Kanalquerschnitt entsprechende D-förmig ausgebildete
Dichtelemente 26 angeordnet, die an den Berührungsstellen mit dem Speicherkörper
13 ein Entweichen der Abgase bzw. der Verbrennungsluft verhindern. An Ende des Kanales
14 ist keine Dichtung nötig, da die zugeführte Verbrennungsluft innerhalb des Gehäuses
12 wegen der Dichtelemente 26 der übrigen Kanäle 15,16 und 17 nur den Weg durch
den Speicherkörper 13 in den Kanal 15 neigen kann.
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Ein Dichtelement 26 besteht aus einer Dichtleiste 27 aus Nickel, die
mit einer am Speicherkörper 13 anliegenden Gleitschicht
28 versehen
ist und aus einem beispielsweise durch Punktschweißen oder Löten damit verbundenen
gasdichten elastischen Verbindungsteil 29, das an der Stirnseite 24 der Wand 25
des entsprechenden Gaskanales 15, 16 oder 17 befestigt ist. Das elastische Verbindungsteil
29 wird z.B. von einem Wellrohr gebildet, das aus einer warmfesten Nickel-Chrom-Legierung
hergestellt ist. Die Gleitschicht 28 kann beispielsweise aus Nickeloxid-Kalziumfluorid
bestehen, das durch Flammspritzen auf die Dichtleiste 27 aufgetragen wird.