DE2453258A1

DE2453258A1 - Waermetauscher fuer eine gasturbine

Info

Publication number: DE2453258A1
Application number: DE19742453258
Authority: DE
Inventors: V Durga Nageswar Rao
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-11-19
Filing date: 1974-11-09
Publication date: 1975-05-22
Also published as: GB1474710A; JPS5083613A; CA1017956A; US3848663A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Gasturbine, wobei der aus keramischem Material hergestellte, rotierende Wärmetauscher von einem Stahlring umgeben ist, an dem ein Zahnkranz zwecks Rotation des Wärmetauschers angeordnet ist.

Der Gegenstand der Erfindung kann bei Gasturbinen verwendet werden, die beispielsweise in den US-Patentschriften 3, 586, 096; 3, 496, 933 und 3, 525, beschrieben und dargestellt sind. Der Wärmetauscher gemäß diesen Konstruktionen ist in einer Wärmetauscherkammer im Gehäuse der Gasturbine angeordnet, wobei die Kammer durch einen Deckel abgedeckt ist. Aufgabe des Wärmetauschers ist es, Abgase der Gasturbine so zu leiten, daß sie Wärme an die Kompressionsluft abgeben, die dan Verbrennungsvorgang zugeführt wird. Der rotierende Wärmetauscher überträgt somit Wärmeenergie von den relativ hoch erhitzten Abgasen an die relativ kalten Gase, die der Brennkammer zufließen. Der Wärmetauscher muß daher nicht nur die Wärme übertragen sondern auch dafür sorgen, daß eine Abdichtung zwischen den verschieden hohen Drücken im wärmeabgebenden Medium zum wärmeaufnehmenden Medium vorhanden ist. Die Dichtungen, die dieses bewirken, sitzen auf

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Sitz der Gesellschaft: Köln · Registergericht Köln, HRB 84 · Vorsitzender des Aufsichtsrates: Hans Schaberger

Vorstand : Robert A. Lutz, Vorsitzender. · Horst Bergemann · Franz J. Bohr · Waldemar Ebers - Charles W. Flynn · Wilhelm Inden · Alfred Langer

Stellvertretend .Paul A. Guckel · Hans-Joachim Lehmann

den Seitenflächen des Wärmetauschers und sorgen dafür, daß eine Abdichtung stattfindet, wenn der Wärmetauscher um seine Rotationsachse rotiert. Der Wärmetauscher selbst wird durch ein Ritzel angetrieben, das mit einem Zahnkranz kämmt, der auf einem Stahlring angeordnet ist, der wiederum den eigentlichen Kern des Wärmetauschers umgibt.

Bei bekannten Anordnungen ist es relativ schwierig, eine sichere Abdichtung bei den herrschenden hohen Temperaturen und den Druckverhältnissen zu schaffen.

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile bekannter Anordnungen zu vermeiden. Insbesondere geschieht das dadurch, daß eine bessere Ausgewogenheit der Dichtungskräfte erreicht wird. Dieses hat zur Folge, daß die Verschleißrate der Dichtungen verringert wird und das Auftreten von Spitzenbelastungen vermieden wird. Durch die Erfindung wird die Drehachse des Wärmetauschers besser definiert und eingehalten, so daß wechselnde Dichtkräfte vermieden werden können.

Das Ziel der Erfindung wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale erreicht.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Lagereinrichtung für einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine andere Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Konstruktion gemäß den Figuren 1 und 2;

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Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; Fig. 5 eine Ansicht der im Gegenstand der Erfindung verwendeten Feder; Fig. 6 und Fig. 6 A die Enden der Feder gemäß Fig. 5;

Fig. 7 die Enden der Feder gemäß den Figuren 6 und 6 A im Montagezustand;

Fig. 8 eine Draufsicht der Anordnung gemäß Fig. 7;

Fig. 9 eine Einzelheit der erfindungsgemäßen Anordnung, zeigend die Position einer Feder;

Fig. lOeine Seitenansicht, eine Einzelheit der Anordnung gemäß Fig. 9 zeigend;

Fig. 11 die Ansicht einer weiteren Einzelheit der Erfindung; Fig. 12 einen Schnitt entlang der Linie 12-12 der Anordnung nach Fig. 11; Fig. 13 einen Schnitt entlang der Linie 13-13 der Anordnung nach Fig. 11.

Insbesondere aus der Fig. 1 ist ein Wärmetauscher zu ersehen,' der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Er enthält einen keramischen Wärmetauscherteil, der umgeben wild von einem Stahlring 12. Ein hoch temperaturbeständiges elastomeres Ivfeterial ist zwischen dem Stahlring 12 und einem Zahnkranz 14 angeordnet, der um den Stahlring 12 herum angeordnet ist. Der Zahnkranz 14 enthält Zähne 16, die mit einem nicht dargestellten Ritzel kämmen. Der Keramikteil des Wärmetauschers 10 ist so eingerichtet, daß er um eine

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Drehachse 18 rotieren kann, sobald der Zahnkranz 14 angetrieben wird. Auf den Seitenflächen 20 und 22 des Wärmetauschers sind Dichtungen angeordnet, die jedoch im einzelnen in den Zeichnungen nicht dargestellt sind.

Ein Teil des Gehäuses der Gasturbine ist mit 24 bezeichnet; ein Teil des Deckels trägt die Bezeichnung 26. Das Gehäuse 24 und der Deckel 26 sind mit entsprechend verlaufenden Bohrungen 28 und 30 versehen, die einen Bolzen 32 aufnehmen. Der Bolzen 32 enthält einen Kopf 34, der in der Nähe des Innenraumes des Gehäuses angeordnet ist, das den Wärmetauscher aufnimmt. Am Bolzen 32 ist ein Gewinde 36 angebracht, auf dem eine Mutter zu Einstellzwecken angeordnet ist. Ein Halteteil 40 umschließt den Bolzen 32 und wird von diesem getragen. An den Enden des Halteteils 40 und um den Bolzen 32 herum sind zwei Schraubenfedern 42 vorgesehen. An einem Ende des Bolzens 32 sitzt eine Scheibe 44, die axial verschieblich in der Bohrung 28 sitzt. Die Scheibe 44 umschließt den Schaft des Bolzens 32.

Das Halteteil 40 ist mit zwei Fortsätzen 46 und 48 ausgestattet. Eine Lagerrolle 50 sitzt auf dem Fortsatz 46 und ist dort durch Sicherungsringe 52 und 54 gesichert.

Um die Lagerrolle 50 ist ein Lagerring 56 aus verschleißfestem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten angeordnet. Der Lagerring 56 stößt an die Seitenfläche 58 des Zahnkranzes 14. Eine zweite Lagerrolle 50 ist am Fortsatz 48 befestigt und wie die Lagerrolle 50 mit einem Lagerring 62 versehen, der an die Seitenfläche 64 des Zahnkranzes stößt. Die Lagerringe 56 und 62 können aus eiinem Material gefertigt sein, das unter der Bezeichnung Teflon handelsüblich ist. Der Abstand der Lagerteile voneinander kann so ausgebildet sein, daß ein guter Lauf des Zahnkranzes mit Stahlring und Wärmetauscher gewährleistet ist. Der Zahnkranz wird zwischen den beiden Lagerrollen geführt und dreht sich zwischen ihnen ab. Die Lagerrollen selbst können dadurch eingestellt werden, daß die Mutter 38 verstellt wird.
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Die Verstellung geschieht sodann parallel zu der Drehachse 18. Die Einstellung der Mutter 38 kann von außen erfolgen, ohne daß die Notwendigkeit besteht, Teile des Gehäuses der Gasturbine zu entfernen. Die Einstellung der Schraubenfedern 42 erfolgt durch Verstellung der Mutter 38. Entsprechend wird die Position des Wärmetauschers 10 durch diese von außen vorzunehmdnde Einstellung verändert. Dabei kann eine Vielzahl von Vorrichtungen vorgesehen sein, am Umfang der Anordnung verteilt, wie sie in einem Exemplar in der Figur 1 dargestellt ist. . Durch die Anordnung von einer Vielzahl von Einzelanordnungen wird verhindert, daß eine Schiefstellung des Wärmetauschers auftritt. Es wird erreicht, daß der Lauf des Wärmetauschers ausreichend genau geführt wird und ein gleicher Abstand zu den Dichteinrichtungen vorhanden ist. Weiterhin kann durch diese Anordnung ein Verschleiß ausgeglichen und somit Leckverluste verringert werden; hierzu ist es nur erforderlich, in den entsprechenden Positionen eine Nachstellung vorzunehmen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ähnlich der Ausführungsform gemäß Fig. 1, allerdings mit dem Unterschied, daß nur eine Lagerrolle verwendet wird. Die Elemente der Anordnung nach Fig. 2, die vergleichbar sind mit den Elementen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind mit den gleichen Positionsnummern bezeichnet. Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 ist die gleiche wie die in Fig. 1 beschriebene Ausführungsform.

Der Fortsatz 46', der sich vom Halteteil 40' erstreckt, enthält eine Lagerrolle 66. Die Lagerrolle 66 ist mit einem Lagerring 68 versehen. Die Lagerrolle 66 ist zwischen einer Ringnut 70 im Zahnkranz 72 angeordnet. Der Zahnkranz 72 ist am Stahlring 12' durch einen Zwischenring 74 befestigt.

Der Durchmesser der Lagerrolle 66 ist so gewählt, daß die Lagerrolle genau in die Ringnut 70 des Zahnkranzes paßt. Eine Einstellung der Mutter 38' hat zur Folge, daß der Fortsatz 46' axial verschoben wird, wodurch eine

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Verstellung des Zahnkranzes erfolgt. Dadurch ist eine Steuerung der Drehachse für die Drehnung des Wärmetauschers möglich.

In der Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform enthält zum Teil Merkmale, die auch in den Ausführung sform en gemäß den Fig. 1 und 2 verwendet werden. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 enthält jedoch einen Bolzen 32*. Auf beiden Seiten einer Lagerrolle 74 A ist je eine Schraubenfeder 42* und 40 A angeordnet. Die I9ger rolle 74 A entspricht der Lagerrolle 66 der Anordnung nach Fig. 2. Die Lagerrolle 74 A sitzt auf einem Halteteil 76, das um den Bolzen 32' angeordnet ist. Die Schraubenfeder 40 A sowie die Schraubenfeder 42' sitzen demnach auf beiden Seiten der Lagerrolle 74 A. Auf der Lagerrolle 74 A ist auf den Seitenflächen 80 bzw 82 sowie auf der Stirnfläche 78 ein Material mit geringem Reibwert angeordnet. Die Stirnfläche sowie die Seitenflächen der Lager rolle 74 A laufen in einer Ringnut 84, die im Zahnkranz 86 des Wärmetauschers 10' vorgesehen ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig. 4 vorgesehen. Her sind zwei Lagerrollen vorgesehen, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Auch bei dieser Ausführung sform gemäß Fig. 4 sind Teile, die ähnlich der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind, mit den gleichen Bezeichnungen versehen. Die Halteteile für die Lagerrollen gemäß der Ausführung sform nach Fig. 4 weichen von den Fortsätzen 46 und 48 gemäß Fig. 1 dadurch ab, daß sie zwei-gabelige Enden besitzen. Das Halteteil für die Lagerrolle 60'' besteht beispielsweise aus dem Gabelteil 84 A, das. zwei Schenkel 86 A und 88 besitzt. Die Schenkel tragen einen Bolzen 90. Die Lagerrolle 60' * ist auf dem Bolzen 90 gelagert, wobei der Lagerring 68' 'gegen die Seitenfläche des Zahnkranzes 14' ' läuft. Die Lagerrolle 50' ' ist ähnlich gelagert, jedoch im Gabelteil 92. Beide Gabelteile 84 A und 92, werden -von einem Halteteil getragen, der dem Halteteil 40 in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 entspricht.

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In der Fig. 5 ist eine Feder darges.teilt, wie sie bei den Wärmetauschern gemäß den Figuren 1 bis 4 verwendet wird. Die Feder ist insgesamt ringförmig ausgebildet, wobei ein Ende mit Nuten 94 versehen ist. Entsprechende Nuten sind an dem anderen Ende 96 angeordnet. Die Feder ist insgesamt mit 98 bezeichnet; sie wirkt als ein federnder Tragring für die Anordnung des Zahnkranzes am Wärmetauscher. Der Tragring 98 kann aus einem hochfesten Federwerkstoff hergestellt sein. Die Form des Tragringes 98 vor dem Einbau zeigt die Fig. 5. Die Form des Tragringes 98 nach dem Einbau um den Stahlring 104 herum und innerhalb des Zahnkranzes 106 geht aus der Fig. 9 hervor. Die Enden der Feder können durch ein Verbindungselement 108 miteinander verkoppelt sein, wobei das Verbindungselement 108 sich axial erstreckende Fortsätze 110 besitzt, die in die entsprechenden Ausnehmungen in den Enden der Tragringe eingreifen. Auf diese Weise werden die Enden eines Tragringes miteinander verbunden.

In der Fig. 10 ist ein Tragring, ein Zahnkranz und ein Stahlring in ihrer Anordnung zueinander dargestellt. Der Zahnkranz kann mit einem Fortsatz 112 versehen sein, während derTragring ein Befestigungsende 114 aufweist, das um den Fortsatz 112 herum gefaltet sein kann mit dem Effekt, daß der Tragring an den Zahnkranz angeschlossen ist. Die Biegung der Abbiegungen 100 und 102 und die Dicke des Tragringes werden bestimmt durch die Kraft, die

notwendig ist, um eine entsprechende Auslenkung zur Folge zuhaben. Bein
deutsam ist dabei auch die Ausbildung der Weise, daß Wärmedehnungen des Zahnkranzes ausgeglichen werden können und daß eine ausreichend große Reibung zwischen dem Zahnkranz und dem Stahlring des Wärnetauschers vorhanden ist, um auf diese Weise ein Durchdrehen dieser Teile zueinander zu verhindern. Der Zahnkranz, der Tragring und der Stahlrmg können in einer entsprechenden Vorrichtung zusammengebaut·werden, so daß die in den Figuren dargestellten Teile die dort angegebene Position zueinander einnehmen.

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Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 11, 12 und 13 sind gesonderte Abfedereinlagen 116 dargestellt; diese Abfedereinlagen haben die Aufgabe, als Abfederungselemente zu wirken und eine Dämpfung zu erreichen. Die Abfedereinlagen 116 sitzen auf einer Seite von Einlagen, die zwischen dem Stahlring des Wärmetauschers und dem Tragring vorgesehen sind. Der Stahlring 118 ist mit einer Ringnut 120 ausgestattet, die den Tragring 98 aufnimmt. Die Abfeder einlage besteht insbesondere aus glasfiberverstärktem Zellulosegummi oder ähnlichem. Schockartig auftretende Kräfte werden durch die Abfeder einlage abgedämpft, wodurch die Abfederwirkung des Tragringes erhöht wird. Auf diese Weise wird die günstige Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung noch verstärkt.

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Claims

' Patentansprüche

I./ Wärmetauscher für eine Gasturbine, wobei der aus keramischem Material hergestellte, rotierende Wärmetauscher von einem Stahlring umgeben ist, an dem ein Zahnkranz zwecks Rotation des Wärmetauschers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung des Wärmetauschers (10) einstellbare Lagermittel vorgesehen sind, die im Gehäuse der Gasturbine angeordnet eine: Führung des Wärmetauschers (10) in Richtung seiner Drehachse (19) ausführen.

Z. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lagermittel zur Führung des Wärmetauschers (10) aus einem axial verstellbaren Halteteil (40) bestehen, das auf zwei Fortsätzen' (46, 48) je eine Lagerrolle (5Q bzw 56) trägt, die an die Seitenflächen (58, 64) des Zahnkranzes (14) anstoßen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil (40) in einer Bohrung einen Bolzen (Ί2) aufnimmt, dessen eines Ende im Gehäuse (24) verschieblich gelagert und dessen anderes, mit einem Gewinde (36) versehenes Ende eine Mutter (38) trägt, wobei zwischen dem Halteteil (40) und dem Gehäuse (24) einerseits und dem Halteteil (40) und einem Deckel (26) andererseits je eine Schraubenfeder (42) angeordnet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als einstellbares Lagermittel ein Halteteil (40*) vorgesehen ist, das auf einem Fortsatz (46') eine Lagerroll.e (66) trägt, die innerhalb einer im Zahnkranz befindlichen Ringnut (70) angeordnet ist und an die Seitenflächen der Ringnut (70) stößt.

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5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als einstellbares Lagermittel ein Halteteil (46) vorgesehen ist, das eine Lagerrolle (74 A) trägt, wobei die Lagerrolle an der Stirnfläche (78) sowie an den Seitenflächen (80, 82) an entsprechende Lagerflächen einer Ringnut (84) des Zahnkranzes (86) stößt.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als einstellbares Lagermittel zwei einstellbare Gabelteile (84 A, 92) vorgesehen sind, zwischen deren Schenkel (86 A, 88) Lagerrollen (50' ' , 60' ' ) angeordnet sind, die an Seitenflächen des Zahnkranzes anstoßen.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stahlring (104) des Wärmetauschers (10) und dem Zahnkranz (106) ein federndes, aus Bandstahl gefertigter Tragring (98) angeordnet ist, der kraftschlüssig am Stahlring (104) sitzt.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (98) Abbiegungen (100, 102) besitzt, die wechselnd nach oben und unten verlaufen.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (98) mit abgebogenen Befestigungsenden (112) versehen ist, die in Fortsätze (112) am Zahnkranz (106) eingreifend angeordnet sind.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tragteil (98) und dem Stahlring (118) eine Abfederungsanlage (116) angeordnet ist.

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