DE2527550A1 - Drehspeicherwaermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehspeicherwärmetauscher mit einer in einem Gehäuse gelagerten Antriebswelle für einen an deren einem Ende sitzenden Speicherkörper und einem am anderen Ende der Antriebswelle vorges ehenen Kettenradantri eb.

Ein derartiger Drehspeicherwärmetauscher ist beispielsweise durch die US-PS 3 476 173 bekannt, wobei der Speicherkörper aus einem porösen Metall oder einem keramischen Werkstoff besteht, der wechselweise durch zwei Strömungskanäle hindurchbewegt wird. Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise zum Vorwärmen der Brennluft vom Gasturbinentriebwerken benutzt. Hierbei ergibt sich eine hohe Druck-

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differenz zwischen der verdichteten Luft, die aufgeheizt wird, und den Abgasen der Turbine, die die Wärme abgeben. Um Leckagen zwischen den beiden Strömungswegen zu verhindern und ferner ein Umströmen des Speicherkörpers zu unterbinden, sind Dichtungen vorgesehen, die sich rings um den Umfang einer oder beider Strömungswege an jeder Stirnfläche des Speicherkörpers erstrecken und die Spalte zwischen dem Speicherkörper und einer benachbarten Wand des Gehäuses schiiessen.

Infolge der hohen Betriebstemperaturen, denen der Wärmetauscher bei Verwendung bei Gasturbinentriebwerken ausgesetzt ist, bereitet die Ausbildung eines ausreichend dauerhaften Speicherkörpers und geeigneter Dichtungen, die mit ihm zusammenarbeiten, Schwierigkeiten. Es wurde nun festgestellt, dass diese Schwierigkeiten erhöht werden, und zwar durch TorsionsSchwingungen des Speicherkörpers.

Torsionsschwingungen des Speicherkörpers werden beispielsweise aufgrund der reziproken Reibungseigenschaften des Werkstoffes der Dichtungen angefacht, die mit dem SpeicherkSrper zusammenarbeiten. Diese Torsionsschwingungen treten mit der Eigentors ions frequenz des Speicherkörpers und seines Antriebs auf. Derartige Tors ions schwingungen können bei bekannten Bauarten eine solche Grosse erreichen, dass Brüche im Antrieb des Speicherkörpers auftreten, Bei einer derartigen

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Ausbildung stellt der Speicherkörper die Masse und ihr Antrieb die Feder eines typischen Schwingungssystems dar. Im Falle eines Kettenradantriebes sind die Federn des Systems die Antriebswellen und vorwiegend die Kette.

Es muss berücksichtigt werden, dass Drehspeicherwärmetauscher dieser Art bei Gasturbinentriebwerken einen Speicherkörper von etwa 500 mm Durchmesser und eine axiale Breite von 76 mm aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Torsionsschwingungen zwischen dem angetriebenen Speicherkörper und seinen Antriebselementen auszudampfen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Kettenradantrieb auf der Antriebswelle zu dieser drehbar gelagert ist und eine die Antriebswelle teilweise umschliessende Torsionsfeder mit ihrem einen Ende mit dem Kettenradantrieb und mit ihrem anderen Ende mit der Antriebswelle verbunden ist, und dass ein viskoser Dämpfer als zur Torsionsfeder parallele Verbindung zwischen der Antriebswelle und dem Kettenradantrieb vorgesehen ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der viskose Dämpfer aus einem mit dem Kettenradantrieb drehfest verbundenen, die Antriebswelle frei umgebendei Gehäuse besteht, das in einer ringförmigen Kammer mindestens eine drehfest mit der Antriebswelle verbundene Dämpferscheiiie

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mit Spiel von den Kammerwänden aufweist, wobei die Kammer im Bereich beider Ränder der Dämpferscheibe durch Ringdichtungen begrenzt ist und die viskose Flüssigkeit enthält.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist

vorgesehen, dass die Antriebswelle im Gehäuse über zwei axialen Abstand voneinander aufweisende Lager abgestützt ist und zwischen diesen eine Schulter am Umfang aufweist, dass der auf der Antriebswelle drehbar gelagerte Kettenradantrieb zwischen den Lagern einen ringförmigen Hohlraum zur Aufnahme der Torsionsfeder aufweist, die als Ringfeder ausgebildet eine Länge von etwa 9/10 des Umfangs des Hohlraumes hat und mit ihrem einen Ende in die Schulter am Umfang der Antriebswelle greift.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch die Achse eines Drehspeicherwärmetauschers nach der Erfindung,

Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1 und Fig. 3 einen gchnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2

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Der in Fig. 1 dargestellte Drehspeicherwärmetauscher ist für ein Gasturbinentriebwerk bestimmt und enthält ein im wesentlichen napfförmiges Gehäuse 10, das einen ringförmigen Speicherkörper 11 umschliesst, der eine Vielzahl von Poren oder Kanälen 12 enthält, die in Fig. 1 übertrieben gross dargestellt sind· Diese Kanäle erstrecken sich zwischen den beiden Stirnflächen des Speicherkörpers im allgemeinen parallel zu dessen Drehachse. Der Speicherkörper 11 enthält einen inneren Kranz 14 und einen äusseren Kranz 15, wobei der innere Kranz 14 mit einer Nabe 16 verbunden ist. Die Nabe 16 enthält eine axiale Bohrung, die mit Innenkeilen 17 versehen ist, über die die Verbindung mit dem Antrieb des Speicherkörpers erfolgt.

Ein Einlass 20 für kalte verdichtete Luft

ist an der einen Stirnfläche des Gehäuses 10 vorgesehen,und ein Auslass 21 für aufgewärmte verdichtete Luft ist auf der anderen Seite des Speicherkörpers angeordnet. Ein Einlass für heisse Abgase der Turbine ist auf der dem Lufteinlass abgewandten Stirnseite des Speicherkörpers vorgesehen und gegenüberliegend ein Auslass 23 für die Abgase. Der Drehspeicherwärmetauscher arbeitet also nach dem Gegenstromprinzip, Der Kanal für die heissen Abgase hat grösseren Querschnitt

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als der Kanal für die kalte Luft wegen der unterschiedlichen Dichte der Medien. Da die heissen Abgase durch den Einlass eintreten, also zuerst auf die obere Stirnfläche des Speicherkörpers treffen (Fig. 1), ist dies die heisse Seite des Speicherkörpers, während die gegenüberliegende Stirnfläche die kalte Seite ist.

Dichtungen 24 sind zwischen jeder Stirnfläche des Speicherkörpers 11 und dem Gehäuse 10 vorgesehen, um die beiden Strömungswege voneinander zu trennen und Leckagen zwischen ihnen auf ein Mindestmass zu beschränken.

Der Antrieb des Speicherkörpers ist in Fig. 2

näher dargestellt. Dieser Antrieb enthält eine Antriebswelle 30, an deren einem Ende eine Aussenkeilverzahnung 31 verringerten Durchmessers gebildet ist, die mit den Keilen 17 der Nabe 16 zusammenarbeitend die Verbindung mit dem Speicherkorper herstellt, wobei eine gegenseitige Anlage an einer Schulter 32 neben der Keilverzahnung der Antriebswelle erfolgt. Auf der abgewandten Seite ist in eine Ringnut der Antriebswelle 30 ein Sprengring 33 eingesetzt. An dem dem Speicherkörper abgewandten Ende der Antriebswelle 30 ist diese drehbar in zwei Lagern 3¹* abgestützt» von denen das eine in dem Gehäuse 10 abgestützt ist, während das andere in einer Nabe eines Kettenkastendeckels 35 eingesetzt ist, der mit dem Gehäuse 10 verbunden ist und einen Kasten für eine Kette 36 und einen Ketten-

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radantrieb 40 abschliesst.

Die Lager 34 sind beiderseits eines im Durchmesser vergrösserten Teils 30a der Antriebswelle vorgesehen, der an einem radialen Flansch 30b einen in Achsrichtung liegenden Kranz 30c trägt. Der Kranz 30c ist am unteren Ende in Fig. mit AuHsenkeilen 30d versehen, während das entgegengesetzte Ende mit zylindrischen Lagerflächen zur Aufnahme von ringförmigen Büchsen 37 versehen ist, die sich im wesentlichen * über den Umfang erstrecken, aber,wie Fig. 3 zeigt,

mit Abstand von radial gerichteten Schultern 3Oe enden.

Der Kettenradantrieb 40 ist über die Buchsen 37 an dem Kranz 30c der Antriebswelle 30 gelagert, so dass er relativ zur Antriebswelle 30 drehbar ist. Der Kettenradantrieb besteht aus einem Kettenrad 41 und einer Torsionsfeder 43. Das Kettenrad 41 hat einen Napf 4la, der aussen einen Flansch 4lb trägt, dessen Rand zu Zähnen 4lc ausgebildet ist, die mit der Kette 36 in Eingriff stehen, die ihrerseits über ein nicht dargestelltes Antriebskettenrad angetrieben wird. Der Antrieb kann beispielsweise über ein Untersetzungsgetriebe von einer Welle des Gasturbinentriebwerks abgeleitet werden.

Der Napf 4la hat eine abgesetzte Bohrung, in der eine der Buchsen 37 aufgenommen wird, und am oberen Ende eine Schulter 4ld, an der sich ein Deckel 42 abstützt, so dass

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ein ringförmiger Raum für die Torsionsfeder 43 gebildet wird. Eine zentrale Öffnimg la Deckel 42 ninant die andere Buchse auf. Der Napf 4la und der Deckel 42 werden durch Stifte 44 miteinander verbunden, die in geeignete Löcher eingepresst v/erden, die im Bereich des Aussenumfangs des Deckels 42 und des Innenumfangs des Napfes 4la vorgesehen sind.

Wie Fig. 3 zeigt, hat die Torsionsfeder 43 die Gestalt eines geschlitzten Ringes, dessen Länge etwa 9/10 des Umfangs des Hohlraumes beträgt,und einen Innendurchmesser,der grosser als der Aussendurchmesser des Kranzes 30c der Antriebswelle 30 ist« Die Torsionsfeder 43 hat an ihrem Innenumfang nahe ihrem Ende eine radiale Sperrzunge 43a, die in die Schulter 30e am Umfang der Antriebswelle 30 eingreift, wodurch die Befestigung zwischen der Torsionsfeder 43 und der Antriebswelle 30 bewirkt ist. Das andere Endeker Torsionsfeder enthält ein Loch 43b zur Aufnahme eines Stiftes 45, der sich durch ein axial gerichtetes Loch 42a, das Loch 43b in der Torsionsfeder 43 und durch ein Loch im Hapf 4la über dessen untere Stirnfläche hinaus erstreckt. Auf diese Weise ist das eine Ende der Torsionsfeder 43 drehfest mit dem Kettenrad 41 und das andere Ende der Torsionsfeder drehfest mit der Antriebswelle verbunden, wobei die Torsionsfeder selbst eine nachgiebige Verbindung darstellt.

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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist die Anordnung der Torsionsfeder 43 zur Antriebswelle 30 und zum Kettenrad so getroffen, dass die Antriebswelle 30 im Uhrzeigersinn vom Speichdrkörper auf die Welle gese^hen erfolgt, während bei Linkslauf der Antriebswelle eine entgegengesetzte Zuordnung erforderlich ist. Die Zuordnung muss so erfolgen, dass die Torsionsfeder bei einer Bewegung des Kettenrads 41 zur Antriebswelle 30 versucht, die Torsionsfeder um die Antriebswelle 30 zu wickeln, so dass Torsionsschwingungen zwischen dem Kettenrad und der Antriebswelle durch einen Dämpfer noch zu beschreibender Bauart ausgedämpft werden können. Der Zweck der Torsionsfeder 43 dient der Bildung einer unterschiedlichen Bewegung, um den Dämpfer wirksam zu machen.

Wie erwähnt, ist dem Kettenradantrieb 40 ein Dämpfer 50 zugeordnet, der das mit Keilen 30 d versehene Ende der Antriebswelle 30 neben dem Kettenradantrieb 40 umgibt und drehfest mit dem Kettenrad 41 durch den Stift 45 verbunden ist, der in ein Sackloch 51a des Dämpfers eingreift. Der die Antriebswelle 30 umschliessende Dämpfer 50 ist in axialer Richtung, wie Fig. 2 zeigt, durch einen in einer Ringnut der Antriebswelle 30 eingesetzten Sprengring 48 festgelegt. Der Dämpfer 50 besteht aus einem ringscheibenförmigen Gehäuse 51 und einem Deckel 52, die miteinander durch Schrauben 56 ver-

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bunden sind und die Antriebswelle 30 frei umgeben. Auf der unteren Seite des Gehäuses 51 ist eine tiefe Ringnut 54 vorgesehen, die neben einer radial einwärts gerichteten Aussparung 55 liegt. Das Gehäuse 51 und der Deckel 52 begrenzen eine ringförmige Kammer, in der drehbar eine Dämpferscheibe 53 angeordnet ist. Die Dämpferscheibe hat Ringform und ist mit am Innenumfang versehenen Keilen 53a auf die Aussenkeile 3Od der Antriebswelle 30 aufgekeilt, so dass die Dämpferscheibe 53 mit der Antriebswelle 30 umläuft.

Radial auswärts der Ringnut 54 ist im Gehäuse 51 eine Ringnut zur Aufnahme einer Dichtung 57 vorgesehen, die die Abdichtung der die Dämpferscheibe aufnehmenden Kammer nach aussen bewirkt. Eine Ringdichtung 58 ist in Ringnuten des Gehäuses 51 und des Deckels 52 radial einwärts neben den Innenkeilen 53a der Dämpferscheibe vorgesehen, um an dieser Stelle die Abdichtung der die Dämpferscheibe 53 aufnehmenden Kammer zu bewirken. Die Ringnut 54 und der die Dämpferscheibe 53 aufnehmende Raum sind mit einer Dämpf er flüssigkeit einer vorgegebenen Viskosität gefüllt, beispielsweise mit Silikonöl. Das Einfüllen erfolgt durch zwei PUllöcher 61 im Deckel 52, die ein Gewinde aufweisen, um abgedichtet durch Schrauben 62 verschlossen werden zu können. Beim Füllen durch das eine Fülloch erfolgt gleichzeitig ein Entlüften durch das andere.

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Die Dicke der Dämpferscheibe 53 ist so gewählt, dass ein vorgegebenes Spiel zwischen den benachbarten Wänden des Gehäuses 51 und des Deckels 52 besteht, so dass die Dämpferscheibe eine begrenzte Relativbewegung, die durch die Torsionsfeder 43 gegeben ist, ausfuhren kann. Bei Wahl einer geeigneten viskosen Flüssigkeit erfolgt jedoch eine ausreichende Reibung zwischen der Dämpferscheibe 53 und dem Gehäuse 51 und dem Deckel 52 w". hrend des Betriebes, dass die Relativbewegung zwischen dem Kettenrad 41 und der Antriebswelle 30» die durch die Torsionsfeder 43 gestattet ist, ausgedämpft wird. Die Ringiichtungen 58, die gegen beide Seiten der Dämpferscheibe 43 anliegen, übertragen, wenn überhaupt, nur ein geringes Drehmoment. Durch diese Anordnung wird jede unterschiedliche Bewegung zwischen dem Speicherkörper und seinem Antrieb und zwischen der Dämpferscheibe 53 und dem Gehäuse 51 und dem Deckel 52 durch die viskose Flüssigkeit in den Spielen zwischen dem Gehäuse 51 bzw. dem Deckel 52 und der Dämpferscheibe 53 ausgedämpft. Das Spiel zur Dämpferscheibe 53 wird so gewählt, dass bei einem Antrieb des Gehäuses 51 und des Deckels 52 durch die Verbindung mit dem Kettenrad 41 ein Abscheren der viskosen Flüssigkeit zwischen der Dämpferscheibe und dem benachbarten Flächen auftritt, wodurch die gewünschte Dämpferwirkung eintritt und Torsionsschwingungen zwischen den

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treibenden und den angetriebenen Elementen ausgedämpft werden, so dass Schwingungen im Speicherkörper nicht auftreten.

Wie oben beschreiben, ist bei üblichen Drehspeicherwärmetauschern der Speicherkörper die Masse und der übliche Kettenradantrieb mit der Antriebswelle die Feder eines typischen Schwingungssystems. Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung ist in ein derartiges System in Reihe eine zweite Feder geschaltet, die jedoch eine kleinere Federrate hat. Beim Ausführungsbeispiel ist diese zusätzliche Feder die Torsionsfeder 43 und diese nimmt das Antriebsmoment zwischen dem Kettenrad 41 und der Antriebswelle 30 auf und wird ferner durch Schwingungen, die durch Reibung angefacht sind, verformt. Wie beschrieben, ist der viskose Dämpfer 50 über die Torsionsfeder 43 angeschlossen und arbeitet nur, wenn Torsionsschwingungen auftreten.

Die Torsionsfeder 43 verbindet das Kettenrad 41 mit der Antriebswelle 30 und Relativbewegungen zirischen diesen beiden Teilen treten auf, wenn Torsionsschwingungen vorliegen. Das Gehäuse 51 und der Deckel 52 des Dämpfers 50 sind mit dem Kettenrad 41 verbunden, während dessen Dämpferscheibe 53 mit der Antriebswelle 30 verkeilt ist. Jede unterschiedliche Bewegung des Kettenrades 41 infolge von Schwingungen bewirkt eine

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Relativbewegung zwischen der Dämpferscheibe 53 einerseits und dem Gehäuse 51 und dem Deckel 52 andererseits, wodurch die viskose Flüssigkeit zwischen der Dämpferscheibe 53 und den benachbarten Flächen abgeschert wird und ein Dämpfungsmoment entsteht. Der Dämpfer 5C liegt also parallel zur Torsionsfeder 43, um eine Verbindung zwischen dem Kettenrad 41 und der Antriebswelle 30 zu schaffen.

Bei dem begrenzten Raum für den Dämpfer 50 beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist eine FlüssigKeit verhältnismässig hoher Viskosität für den Dämpfer erforderlich. Steht jedoch mehr Raum zur Verfügung, so könnte der Dämpfer erheblich grosser im Durchmesser ausgebildet werden oder auch mehrere Dämpferscheiben anstelle einer einzigen Dämpferscheibe enthalten, um eine ausreichende Dämpfung mit einer Flüssigkeit geringerer Viskosität zu erzielen.

Die Erfindung ist ausser zur Verwendung bei Drehsceicherwärmetauschern auch in allen den Fällen einsetzbar, bei denen in einer Antriebskette Drehschwingungen infolge von Reibung oder Kräften auftreten. Beispielsweise können derartige Torsionsschwingungen durch Rattern eines Werkzeuges in einer Werkzeugmaschine, durch Quietschen einer Bremse oder Rütteln einer Kupplung angefacht werden.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   ₅) Drehspeicherwärmetguscher mit einer in einem Gehäuse gelagerten Antriebswelle für einen an deren einem Ende sitzenden Speicherkörper und einem am anderen Ende der Antriebswelle vorgesehenen Kettenradantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass der Kettenradantrieb (40) auf der Antriebswelle (30) zu dieser drehbar gelagertt ist und eine die Antriebswelle teilweise umschliessende Torsionsfeder (43) mit ihrem einen Ende mit dem Kettenradantrieb und mit ihrem anderen Ende mit der Antriebswelle verbunden ist, und dass ein viskoser Dämpfer (50) als zur Torsionsfeder parallele Verbindung zwischen der Antriebswelle und dem Kettenradantrieb vorgesehen ist.
2. 2. Drehsjeicherwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der viskose Dämpfer (50) aus einem mit dem Kettenradantrieb (40) drehfest verbundenen, die Antriebswelle (30) frei umgebenden Gehäuse (51,52) besteht, das in einer ringförmigen Kammer (55) mindestens eine drehfest mit der Antriebswelle (30) verbundene Dämpferscheibe (53) mit Spiel zu den Kammerwänden aufweist, wobei die Kammer im Bereich beider Ränder der Dämpferscheibe durch Ringdichtungen

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   (57,56) begrenzt ist und die viskose Flüssigkeit enthält.
3. 3. Drehspeicherwi.rmetauscher nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (30) im
   Gehäuse (10,35) über zwei axialen Abstand voneinander aufweisende Lager (3¹V) abgestützt ist und zwischen diesen eine Schulter (3Oe) am Umfang aufweist, dass der auf der Antriebswelle drehbar gelagerte Kettenradantrieb (40) zwischen den Lagern einen ringförmigen Hohlraum zur Aufnahme der Torsionsfeder (43) aufweist, die als Ringfeder ausgebildet eine
   Länge von etwa 9/10 des Umfangs des Hohlraumes hat und mit ihrem einen Ende (43a) in die Schulter (3Oe) am Umfang der Antriebswelle greift.

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