DE2451247A1

DE2451247A1 - Dichtung fuer einen regenerativ-waermetauscher

Info

Publication number: DE2451247A1
Application number: DE19742451247
Authority: DE
Inventors: Johann Heil; Klaus Wiegard
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1974-10-29
Filing date: 1974-10-29
Publication date: 1976-05-06
Also published as: US4098323A; DE2451247C2

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 9935A

Stuttgart-Untertürkheim 21.Okt.1974

"Dichtung für einen Regenerativ-Wärmetauscher"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung für Gaskanäle eines Regenerativ-Wärmetauschers, die zu einem drehbaren scheibenförmigen Speicherkörper führen, gegenüber dem Innenraum des die Gaskanäle und den Speicherkörper umgebenden Gehäuses, die jeweils aus einer in sich geschlossenen Dichtleiste, die mit einer Gleitschicht am Speicherkörper anliegt, und aus einer Dichtmembran besteht, die sich an einem mit abgedeckten Einschnitten versehenen Stützblech abstützt und die sich schräg über den Spalt zwischen der Dichtleiste und der gegenüberliegenden Gehäusewand erstreckt und an dieser mit ihrem über die Stützleiste hinausragenden oberen Rand anliegt.

Da sich während des Betriebes des Wärmetauschers infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen Abstandsanderungen zwischen der Wärmetauscherscheibe und der gegenüberliegenden Gehäusewand ergeben, ändert sich dementsprechend auch die Schräglage der Dichtmembran. Damit ist aber zwangsläufig eine Erweiterung oder Verengung des Umfanges des an der Gehäusewand anliegenden Randes der Dichtmembran verbunden.

Bei der einstückigen Dichtmembran derartiger Dichtungen (US-PS 3 542 122) kann dies zu Verwerfungen im Bereich des Randes der Dichtmembran führen, wodurch diese sich stellenweise von der Gehäusewand abhebt. Außerdem wird die dichte

609819/0519

2 - Daim 9935A

Anlage der Dichtraeffiiforam solcher Dichtungen noch dadurch beeinträchtigt, daß die Dichtusembran unmittelbar an der dem geringen Druck zugewandten Kante der Dichtleiste befestigt ist. Dies ergibt bei der Abdichtung des Abgaskanales besonders auch wegen der Wandstärkenunterschiede zwischen der sehr dünnen Dichtmembran und der verhältnismäßig starken Dichtleiste eine hohe thermische Belastung der den heißen Abgasen zugewandten Verbindungsstelle, die zu weiteren Verformungen der Dichtsaembran und damit zu einer weiteren Einbuße ihrer dichten Anlage an der Gehäusewand führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eine Dichtung zu schaffen, die bei allen Betriebsbedingungen zuverlässig an der Gehäusewand anliegt. Dies geschieht nach der Erfindung durch ein Stützblech, das im Querschnitt ©inen spitzen Uinkel bildet, dessen einer Schenkel flach an der Dichtleiste anliegt und- an dieser im Bereich ihres, von der Winkelspitze abgelegenen Randes befestigt ist, und an dessen anderem, schrägstehendem Schenkel an der Innenseite im Bereich der Winkelspitze die Dichtmembran befestigt ist, die aus einzelnen Dichtlamellen zusammengesetzt ist, die sich jeweils zwischen zwei Einschnitten des Stützbleches überlappen und die im Bereich ihrer Überlappung durch abgewinkelte Blattfedern an das Stützblech gedrückt werden.

Die Gestalt und die Art der Befestigung des Stützbleches ergeben im Zusammenwirken mit den am Stützblech befestigten, sich überlappenden und federbelasteten Dichtlamellen eine Dichtung, die sich durch eine besonders große Nachgiebigkeit auszeichnet. Dadurch ist es möglich, durch unterschiedliche Wärmedehnungen hervorgerufene Verformungen der Bauteile so-

609819/0519

- 3 - Daim 9935A

wie dadurch bedingte Abstandsänderungen zwischen der Wärmetauscherscheibe und der Gehäusewand auszugleichen, ohne daß sich der Rand der Dichtlamellen von der Gehäusewand abhebt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung haben die Einschnitte im Stützblech jeweils eine V-förmige Gestalt und enden in einer Bohrung, in deren Bereich eine streifenförmige Abdecklamelle befestigt ist. Die Form der Einschnitte und deren Abdeckung durch einzelne einseitig befestigte streifenförmige Abdecklamellen erhöhen die Nachgiebigkeit und damit die Anpassungsfähigkeit der Dichtung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch einen

Regenerativ-Wärmetauseher in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die beiden an der einen - Seite des Speicherkörpers anliegenden Dichtelemente,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die am Speicherkörper anliegende Seite eines ähnlichen Dichtelementes und dessen Halterung am Gehäuse,

Fig. k einen Querschnitt durch ein eingebautes Dichtelement nach der Linie IV-IV der Fig. 3,

609819/0519

- k - Daim 9935/4

Fig. 5 eine Draufsicht auf die am Gehäuse anliegende Seite eines Teiles eines teilweise aufgebrochenen Dichtelementes,

Fig. 6 ein Querschnitt durch dieses Dichtelement nach der Linie VI-VI der Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die am Gehäuse artliegende Seite eines Eckteiles eines Dichtelementes,

Fig. 8 ein Querschnitt durch dieses Dichtelement nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7 und

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Eckmembran dieses Dichtelementes.

Der in Fig. 1 dargestellte Regenerativ-Wärmetauscher einer Kraftfahrzeug-Gasturbine besteht im wesentlichen aus einem auf einer Achse 11 in einem Gehäuse 12 drehbar gelagerten scheibenförmigen Speicherkörper 13i aus Kanälen Ik und 15 für die Verbrennungsluft sowie aus Kanälen 16 und 17 für die Abgase. Der Speicherkörper I3, der aus einem glaskeramischen Werkstoff hergestellt ist, wird in axialer Richtung von einer Vielzahl kleiner Durchgangskanäle l8 durchsetzt. Auf dem Mantel 19 des Speicherkörpers 13 ist mit elastischen Zwischengliedern 20 ein koaxialer Zahnkranz 21 befestigt. Ein auf einer Welle 22 im Gehäuse 12 gelagertes Ritzel 23 greift in den Zahnkranz 21 ein. Der Speicherkörper I3 kann über den Zahnkranz 21, das Ritzel 23 und die Welle 22 von einem nicht dargestellten Nebenabtrieb der Gasturbine in Drehung versetzt werden.

609819/0519

- 5 - Daim 9935A

Während des Betriebes der Gasturbine werden deren heiße Abgase durch den Kanal 16 zu dem angetriebenen Speicherkörper 13 geleitet, dessen Durchgangskanäle l8 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 lA und I5 gerückt. Dadurch kann die vom Verdichter der Gasturbine geförderte Verbrennungsluft verhältnismäßig niederer Temperatur durch den Kanal Ik in die aufgeheizten Durchgangskanäle l8 einströmen und dort Wärme aufnehmen. Die so erhitzte Verbrennungsluft wird durch den Kanal 15 der Brennkammer der Gasturbine augeführt. Gleichzeitig verlassen die im restlichen Abschnitt des Speicherkörpers 13 abgekühlten Abgase das Gehäuse 12 des Wärmetauschers durch den Kanal 17·

Die Kanäle 15 bis 17 weisen, wie Fig. 2 erkennen läßt, im Bereich des Speicherkörpers I3 eine etwa halbkreisförmige Querschnittsfläche auf, die eine maximale Beaufschlagung des Speicherkörpers 13 erlaubt. An den Stirnseiten 24 der die Kanäle begrenzenden Wände 25 des Gehäuses 12 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. Am 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 in den Kanal 15 nehmen kann.

60 9 819/0519

-6-

- 6 - Daim 9935A

In Fig. 3 sind ähnliche Dichtelemente 27 gezeigt, die die Kanäle 15 und 16 abdichten und die aus zwei halbkreisförmigen Bogenstücken 28 und einem geraden Mittelsteg 29 bestehen. Die Dichtelemente 27 sind durch am Gehäuse 12 befestigte Haltebolzen 3O1 die in gabelförmige Ansätze 3I a^m Umfang der Bogenstücke 28 greifen, zwischen dem Gehäuse 12 und dem Speicherkörper I3 gelagert. Die Haltebolzen 30 verhindern beim Drehen des Speicherkörpers I3 eine Mitnahme der an die>? sen angedrückten Dichtelemente 27· Im Zusammenwirken mit den gabelförmigen Ansätzen 3! lassen die Haltebolzen JO jedoch axiale und radiale Bewegungen der Dichtelemente 27 zu, so daß sich deren Lage allen Betriebsbedingungen anpassen kann.

Sowohl die Dichtelemente 26 als auch die Dichtelemente 27 bestehen, wie Fig. 4 zeigt, im wesentlichen aus einer Dicht·· leiste 3², die mit einer Gleitschicht 33 an Speicherkörper.= 13 anliegt und aus einem elastischen Teil "}k, der sich schräg bis zur gegenüberliegenden Wand 25 des Gehäuses 12 erstreckt und an dieser anliegt. Der Anpreßdruck der Dichtleiste 32 an den Speicherkörper I3 kann durch die Gestalt und die Befestigung des elastischen Teiles 3^ der Dichtelemente 26 bzw. 27 beeinflußt werden. Der Anpreßdruck ist ferner von den im Wärmetauscher herrschenden Gasdrücken ab*, hängig. Die Öffnung des durch die Dichtleiste 32 und des elastischen Teiles Jh gebildeten Winkels ist deshalb nach der Seite mit dem größeren Gasdruck gerichtet, so daß dieser die Anlage der Dichtleiste 32 und des elastischen Teiles 3^ am Speicherkörper I3 bzw. an der Wand 25 des Gehäuses 12 unterstützt. Durch die freie Anlage der Dichtelementte 26 bzw. 27 werden im wesentlichen gleichbleibende Anpreßkräfte erreicht.

609819/0519 -7-

245124?

- 7 - Daim 9935/4

Wie die Fig. 5 und 6 erkennen lassen, besteht der elastische Teil 34 eines Dichtelementes 26 oder 27 aus einem Stützblech 351 Abdecklamellen 36, einer aus Dichtlamellen 37 zusammengesetzten Dichtmembran 38 und aus Blattfedern 39· Das Stützblech 35 bildet im Querschnitt einen spitzen Winkel, dessen einer Schenkel 40 flach an der Dichtleiste 32 anliegt, während der andere Schenkel 41 schräg absteht. Beide Schenkel 40 und 4l sind an der Außenseite der Winkelspitze, z.B. durch Löten oder Punktschweißen, miteinander verbunden. Vom Rand 42 des Schenkels kl des Stützbleches 35 gehen sich schwach V-förmig verjüngende Einschnitte 43 aus, die jeweils in einer Bohrung kk enden, die ein Einreißen des Stützbleches 35 verhindern. Im Bereich jeder Bohrung kk ist die sehr dünne streifenförmige Abdecklamelle 36 befestigt, die sich bis knapp über den Rand k2 des Stützbleches 35 hinaus erstreckt und dabei den Einschnitt k3 vollständig abdeckt. Im Bereich der Winkelspitze des Stützbleches 35 sind an der Innenseite des Schenkels 4l die Dichtlamellen 37 befestigt, die mit ihren oberen Rändern 45 so weit über den Rand 42 des Stützbleches 35 hinausragen, daß sie sich an der Wand 25 des Gehäuses 12 flach anlegen können, und die sich jeweils zwischen zwei Einschnitten 43 des Stützbleches 35 seitlich überlappen. Jede Dichtlamelle 37 weist einen konvexen seitlichen Rand 46 und einen konkaven seitlichen Rand 47 auf, die so angeordnet sind, daß sich jeweils der konvexe Rand 46 einer Dichtlamelle 37 mit dem konkaven Rand 47 der benachbarten Dichtlamelle 37 überlappt. Die seitliche Erstreckung der einzelnen Dichtlamellen 37 kann sich ebenso wie die Abstände der Einschnitte 43 am Stützblech 35 längs des Umfanges der Dichtelemente 26 oder 27 ändern. So sind im allgemeinen die Dichtlamellen 37 und die Abstände der Einschnitte 43 um so kürzer, je stärker die Dichtelemente 26 oder 27 in deren Bereich gekrümelt sind. Die in der Zeichnung schema-

609819/0519

- 8 - Daim 9935A

tisch dargestellten Dichtlamellen 37 sind ebenso wie die Abdecklamellen 36 um ein mehrfaches dünner als das Stützblech 35,

Die Blattfedern 39 sind abgewinkelt. Sie drücken jeweils mit einem schwach gewölbten, am oberen Rand 48 etwas abgerundeten Schenkel 49 die Dichtlamellen 37 im- Bereich ihrer Überlappung dicht aneinander, während der andere Schenkel 50 sich an der Innenseite des Schenkels 40 des Stützbleches 35 abstützt. Das Ende des Schenkels 50 der Blattfeder 39 ist zusammen mit dem End© des Schenkels 40 des Stützbleches 35 nur im Bereich des von der Winkelspitze abgelegenen Randes an der Dichtleiste 32 befestigt.

Die Befestigung des Stütsbleches 35 und der Blattfedern 39 an der Dichtleiste 32 sowie der Dichtlamellen 37-und der Abdeeklaiaeilen 36 am Schenkel 4l des Stützbleches 35 kann beispielsweise durch Punktschweißen oder Löten erfolgen. Die Befestigung des Stütsbleches 35 und der Dichtlamellen 37 ist gasdicht ausgeführt.

Die Bauteile des elastischen Teiles Jk ergeben in ihrer Gesamtheit eine außerordentlich nachgiebige Dichtung. Dazu trägt wesentlich die Unterteilung der Dichtmembran 38 in einzelne Dichtlamellen 37 hei. Im Gegensatz zu einstückigen Ausführungen, die b@i unterschiedlicher Erwärmung zu Verwerfungen neigen und damit undicht werden, können sich die einzelnen Dichtlasaellesa 37 wechselnden Betriebsbedingungen besser anpass@ss<> Abstandsäuderuiagen zwischen dem Speicherkörper 13 und der gegenüberliegenden Wand 25 des Gehäuses 12 können durch die groß® Biegsamkeit einzelner Dichtlamellen 37 und durch verschieden starke Überlappungen der seitlichen Ränder 46 und 47 ausgeglichen werden. Dabei ergeben

609819/0519

- 9 - Daim 9935/4

die konvex und konkav geformten Ränder 46 bzw. 47 ein weiches Gleiten der Dichtlamellen 37 aufeinander.

Das Anschmiegen der Dichtlamellen 37 an die Wand 25 des Gehäuses 12 wird durch das Stützblech 35 unterstützt, das durch die Einschnitte 43 ein leichtes Einfedern ermöglicht und die Gefahr des Einknickens ausschließt. Unterschiedlichen Wärmedehnungen und den genannten Abstandsänderungen kann sich das Stützblech 35 ohne Beeinträchtigung seiner Stützfunktion durch mehr oder weniger starkes Öffnen oder Schließen der Einschnitte 43 anpassen. In besonderem Maße wird jedoch die Anpassungsfähigkeit der Dichtung durch die abgewinkelte Gestalt des Stützbleches 35 und dessen Befestigung im Bereich des der Winkelspitze abgelegenen Randes 51 der Dichtleiste 32 gefördert. Spannungen, die sich durch die unterschiedlich rasche Erwärmung oder Abkühlung der verhältnismäßig starken mit der Gleitschicht 33 versehenen Dichtleiste 32 und dem die Dichtlamellen 37 abstützenden Schenkel 41 des wesentlich dünneren Stützbleches 35 ergeben, können schon in dem an der Dichtleiste 32 anliegenden Schenkel 40 abgebaut werden. Eine derartige Befestigung des Stützbleches 35 nur im Bereich des Randes 51 der Dichtleiste 32 hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Befestigungsstelle stets auf der Seite der Dichtung liegt, die an das Gas mit der geringeren Temperatur angrenzt. Die besonders gefährdete Verbindungsstelle wird deshalb thermisch wesentlich weniger stark beansprucht. Die Bildung von Spalten zwischen den einzelnen Dichtlamellen 37» die sich beim Einfedern dreidimensional verformen müssen, wird durch die Blattfedern 39 verhindert, die die sich überlappenden Ränder 46 und 47 der Dichtlamellen 37 zusammenpreßt. Gleichzeitig werden die Dichtlamellen 37 zusammen mit dem Stützblech 35 durch die Blattfedern 39 an

609819/0519

- 10 - Daim 9935A

die Wand 25 des Gehäuses 12 gedrückt, so daß, auch wenn bei der Inbetriebnahme des Wärmetauschers an der Innenseite des Winkels sich noch kein Gasdruck aufgebaut hat, die Dichtlamellen 37 die Gaskanäle 15 bis 17 schon vollständig abdichten. Neben den Dichtlamellen 37 bildet das Stützblech 35 zusammen mit den die Einschnitte 43 abdeckenden Abdecklamellen 36 eine zusätzliche Abdichtung, die gegebenenfalls durchgedrungene Leckgase zurückhalten kann.

Bei Dichtungen, deren Dichtelemente 27 wie im Beispiel nach Fig. 3 aus Bogenstücken 28 und einem Mittelsteg 29 zusammengesetzt sind, wird beim Betrieb des Wärmetauschers der Mittelsteg 29 stärker erwärmt als die Bogenstücke 28. Zum Ausgleich der dami't verbundenen größeren Wärmedehnungen ist der Mittelsteg 29 in die Bogenstücke 28 mit Spiel in Längsrichtung eingesetzt. Um die durch Wärmedehnungen hervorgerufenen Relativbewegungen an den Stoßstellen zwischen den Bogenstücken 28 und dem Mittelsteg 29 zu ermöglichen, ist, wie Fig. 7 zeigt, das Dichtelement 27 an diesen Stellen mit einer Trennfuge versehen. Zur Überbrückung der Trennfuge 52 ist im Bereich des Überganges von den Bogenstücken 28 auf den Mittelsteg zwischen den an der Dichtleiste 32 anliegenden Schenkel 40 des Stützbleches 35 und den Dichtlamellen 37 einerseits und den Blattfedern 39 andererseits eine an das Stützblech 35 angepaßte, im Querschnitt einen Winkel bildende Eckmembran 53 eingesetzt (Fig. 7 bis 9)· Die Anlage der Eckmembran 53 wird dadurch verbessert, daß deren innerer Krümmungsradius R kleiner ist als der entsprechende Krümmungsradius des Stützbleches 35· Dadurch kann sich die Eckmembran 53 ^an die beiderseits der Trennfuge 52 gegebenenfalls gegeneinander versetzten Bauteile der Dichtelemente 27 besser anpassen. Sie

609819/0519

- 11 - Daim 9935A

ermöglicht damit trotz der im Eckbereich zwischen den Bogenstücken 28 und dem Mittelsteg 29 auftretenden Relativbewegun· gen eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem Speicherkörper 13 und der gegenüberliegenden Wand 25 des Gehäuses 12. Die Eckmembran 53 kann durch Punktschweißen oder Löten zusammen mit dem Stützblech 35 und der Blattfeder 39 am Rand 51 der Dichtleiste 32 befestigt werden. Es ist auch möglich, die Eckmembran 53 nur durch den Druck der Blattfeder 39 in. ihrer Stellung zu halten.

609819/0519

Claims

- 12 - Daim 9935A

Ansprüche

Dichtung für Gaskanäle eines Regenerativ-Wärmetauschers, die zu einem drehbaren scheibenförmigen Speicherkörper führen, gegenüber dem Innenraum des die Gaskanäle und den Speicherkörper umgebenden Gehäuses, die jeweils aus einer in sich geschlossenen Dichtleiste, die mit einer Gleitschicht am Speicherkörper anliegt, und aus einer Dichtmembran besteht, die sich an einem mit abgedeckten Einschnitten versehenen Stützblech abstützt und die sich schräg über den Spalt zwischen der Dichtleiste und der gegenüberliegenden Gehäusewand erstreckt und an dieser mit ihrem über die Stützleiste hinausragenden oberen Rand anliegt, gekennzeichnet durch ein Stützblech (35)« das im Querschnitt einen spitzen Winkel bildet, dessen einer Schenkel (40) flach an der Dichtleiste (32) anliegt und an dieser nur im Bereich ihres, von der Winkelspitze abgelegenen Randes (51) befestigt ist, und an dessen anderem, schrägstehendem Schenkel (4l) an der Innenseite im Bereich der Winkelspitze die Dichtmerabran befestigt ist, die aus einzelnen Dichtlamellen (37) zusammen gesetzt ist, die sich jeweils zwischen zwei Einschnitten (43) des Stützbleches (35) überlappen und die im Bereich ihrer Überlappung durch abgewinkelte Blattfedern (39) an Stützblech (35) gedrückt werden»
2. Dichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnitt© (43) im Stützlfolech (35) jeweils eine V-förmige Gestalt haben und in einer Bohrung (44) enden, in deren Bereich eine streif©nförmige Abdecklamelle (36) befestigt ist.

609819/0519

- 13 - Daim 9935A

Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Dichtlamellen (37) einen konvexen (46) und einen konkaven seitlichen Rand (47) aufweist, die so angeordnet sind, daß sich jeweils der konvexe Rand (46) einer Dichtlamelle (37) mit dem konkaven Rand (47) der benachbarten Dichtlamelle (37) überlappt.

Dichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3i die aus Bogenstücken und einem mit Spiel in Längsrichtung eingesetzten Mittelsteg besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Überganges von den Bogenstücken (28) auf den Mittelsteg (29) das Stützblech (35) eine Trennfuge (52) aufweist und daß zwischen dem an der Dichtleiste (32) anliegenden Schenkel (40) des Stützbleches (35) und den Dichtlamellen (37) einerseits und den Blattfedern (39) andererseits eine an das Stützblech (35) angepaßte, im Querschnitt einen Winkel bildende Eckmembran (53) angeordnet ist, deren innerer Krümmungsradius (R) kleiner ist als der entsprechende Krümmungsradius des Stützbleches (35)·

609819/0519