DE2854106A1

DE2854106A1 - Gleitkontakt-dichtung fuer drehspeicher-waermetauscher

Info

Publication number: DE2854106A1
Application number: DE19782854106
Authority: DE
Inventors: Osamu Kobayashi; Hideo Sato
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1977-12-15
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1979-06-21
Also published as: US4226429A; JPS6059517B2; JPS5483165A

Description

TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER Nissan

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Gleitkontakt-Dichtung für Drehspeicher-Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, insbesondere für Drehspeicher-Wärmetauscher, die Lm Zusammenhang mit Turbinen verwendbar sind, insbesondere eine Gleitkontakt-Fluiddichtung aus einem Kohlenstoff-Grundmaterial.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Reibungs- oder Gleitkontakt-Fluiddichtung für Drehspeicher-Wärmetauscher einer Gasturbine zu schaffen, durch die eine ausreichende Abdichtung gewährleistet wird, durch die verhindert wird, daß heiße Abgase mit der entgegengesetzt strömenden Verbrennungsluft vermischt werden. Zugleich soll eine geringe Reibung zwischen der Dichtung einer drehbaren, ringförmigen oder sehe ibenf ormixjen Trommel des Drehspe icher-Wärmetauschers ermöglicht worden.

DLe Erfindung ergibt sich Im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Durch die Erfindung kann eine; Vermischung von heißem Abgas und Verbrennungsluft auf der heißen Seite des Drehspeicher-Wcirmetauscher» Ln Bezug auf eine drehbare Trommel verhindert werden, und zwar auch dann, wenn dLe Dichtung ein DLchtungsgLLed aus einem Kohlenstoff-Grundmaterlal aufweist.

.H) Das KohLenstof f-Grundmater LaL weLst eLnen uLedrLgen ReL-bungskoef f iz Lenten eiuf.

DLe Ober f Lüche des DLchtungsgL Leides ist wenigstens teLL-weise mit einer hLtzebeständigen Schicht überzogen, die verhindert, daß das DLchtungsgLLed mit dem heißen Abgas Ln Berührung kommt.

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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeipiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

FLg. 1 ist eine schematische Darstellung

wesentlicher Teile eines Drehspeicher-Wärmetauschers einer Gasturbine einschließlich einer bekannten Gleitdichtung;
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung

wesentlicher Teile eines Drehspeicher-Wärmetauschers mit einer erfindungsgemäßen Dichtung;
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Fig. 3 ist ein Querschnitt zur Veranschaulichung von Einzelheiten der Dichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung

zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Dichtung der Fig. 3;

Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung eines weiteren AusfilhrungsbeispieIs

zur Er tautening eines Verfahrens zur Herste L Lung einer erfLndungsgemäßen Dichtung.

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BAD ORIGINAL

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Gasturbinen werden üblicherweise in Verbindung mit Drehspeicher-Wärmetauschern verwendet, durch die nutzbare Wärme der Abgase zur Vorerwärmung eintretender Verbrennungsluft und damit zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades und zur Verringerung des Brennstoffverbrauchs der Maschine gewonnen wird. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines bekannten Drehspeicher-Wärmetauschers als Teil einer Gasturbine, der eine drehbare, ringförmige oder scheibenförmige Trommel 10 umfaßt. Die Trommel 10 weist eine nicht gezeigte Poren-Struktur auf, die sich zwischen gegenüberliegenden radialen Flächen 10a und 10b erstreckt, und wird in Richtung des Pfeiles R gedreht. Die Wärme der durch den Pfeil G angedeuteten Abgase wird über die drehbare Trommel 10 an die entsprechend dem Pfeil A von einem Kompressor zugeftihrte Luft übertragen. Ein notwendiges Teil eines derartigen Regenerator-Systems ist eine wirksame Abdichtung auf den gegenüberliegenden radialen Flächen 10a und 10b der Trommel 10 , durch die verhindert wird, daß die mit hohem Druck eintretende Luft A in die entgegengesetzt strömenden Auspuffgase G übertritt. In diesem Zusammenhang ist auf der kalten Seite eine Dichtung 12 in Reibberührung mit der radialen Fläche 10a der Trommel 10 vorgesehen, die bei einer maximalen Temperatur von etwa 300⁰C wirksam ist. Andererseits ist auf der heißen Seite eine Dichtung in Reibberührung mit der anderen radialen Fläche 10b der Trommel 10 vorgesehen, die bei einer Temperatur von bis zu 650⁰C wirksam sein muß. Die gewünschten Eigenschaften des Dichtungsmaterials bestehen darin, daß es einen guten Oxidationswiderstand und hohe thermische Stabilität, ein günstiges Verschleißverhalten und einen relativ niedrigen Reibwert über einen weiten Temperaturbereich aufweisen muß.

Daher besteht die Dichtung 12 auf der kalten Seite üblicherweise aus einem Material auf Kohlenstoffbasis mit niedrigem Reibungskoeffizienten. Ein derartiges Material kann für eine Dichtung 14 auf der heißen Seite jedoch nicht ver-

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wendet werden, da es Temperaturen von über etwa 400⁰C in einer oxidierenden Atmosphäre, wie etwa in heißen Abgasen, nicht standhält. Aus diesem Grunde besteht die Dichtung 14 auf der heißen Seite üblicherweise aus einer Metall-Grundplatte 14a, deren Oberfläche mit einem überzug beschichtet ist, der durch Aufsprühen einer Mischung aus Nickeloxid (NiO) und Calziumfluorid (CaF₂) hergestellt wird. Diese mit einem Überzug versehene Oberfläche der Grundplatte steht in gleitendem Eingriff mit der umlaufenden radialen Fläche 10b der Trommel 10.

Eine derartige Dichtung auf der heißen Seite hat jedoch den Nachteil, daß die Dicke des Überzugs auf etwa 2mm begrenzt ist, so daß die Haltbarkeit des Überzugs sehr gering ist. Wenn außerdem ein Teil der Metall-Grundplatte 14a aus beliebigem Grund, wie etwa ungleichmäßigem Verschleiß des Überzugs, in direkte Berührung mit der umlaufenden, radialen Fläche 10b der Trommel 10 gelangt, kann die teure Trommel 10 erheblich beschädigt werden.

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Aus diesen Gründen ist die Erfindung darauf gerichtet, die Nachteile der bekannten Lösungen zu überwinden, indem eine hitzebeständige Schicht auf wenigstens einer Oberfläche der Dichtung auf der heißen Seite ausgebildet wird, die in direkter Berührung mit den heißen Abgasen steht, bevor diese durch die Trommel hindurchgehen. Dies beruht auf der Überlegung der Erfinder, daß Kohlenstoffmaterial selbst Temperaturen von erheblich über 1.000⁰C verträgt, wenn eine oxidierende Atmosphäre von dem Kohlenstoffmaterial ferngehalten wird.

Fig. 2 und 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung in Kombination mit einer ring- oder scheibenförmigen Trommel 20 als Teil eines Drehspeicher-Wärmetauschers 22 einer Gasturbine. Die Trommel 20 besteht aus Metall oder Keramik und weist eine Poren-Struktur sowie Kanäle P auf, die sich zwischen den gegen-

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überliegenden, radialen Oberflächen 20a und 20b erstrecken. Die Trommel 20 dreht sich in Richtung des Pfeiles R, so daß die Wärme heißer Abgase von etwa 700 bis 75O⁰C, die gemäß dem Pfeil G strömen, auf die bei niedrigerer Temperatur einströmende Luft von etwa 200⁰C, die durch den Pfeil A angedeutet wird, übertragen wird. Das Abgas wird in die Trommel 20 nach der Drehung einer nicht gezeigten Gasturbine eingeleitet. Andererseits wird die eintretende Luft von einem nicht gezeigten Kompressor unter Druck zugeführt. Aufgrund des Regenerator-Effekts der drehbaren Trommel 20 wird die Temperatur der eintretenden Luft auf etwa 550 bis 600⁰C angehoben, während die Temperatur der Abgase auf etwa 35O⁰C gesenkt wird.

Eine obere Reibkontakt-Dichtung 24 steht in Reibungs- oder Gleitberührung mit der umlaufenden radialen Fläche 20a der Trommel 20 und verhindert, daß das Abgas G mit der eintretenden Luft A vermischt wird. Die obere Dichtung 24 liegt auf der kalten Seite des Regenerators in Bezug auf die Trommel 20. Eine untere Reibkontakt-Dichtung 26 steht in Reibungs- oder Gleitberührung mit der anderen Fläche 20b der Trommel 20 und verhindert, daß eintretende Luft und Abgas miteinander gemischt werden. Diese untere Dichtung 26 liegt auf der heißen Seite des Regenerators in Bezug auf die Trommel 20. Die untere Dichtung 26 umfaßt ein Dichtungsglied 28 aus Kohlenstoffmaterial, wie etwa Graphit, oder aus Kohlenstoff als Grundmaterial. Das Dichtungsglied 28 umfaßt einen ringförmigen Bereich 28a und einen quergerichteten Verbindungsbereich 28b.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, liegt das Dichtungsglied 28 auf einem feststehenden Träger 30, so daß die obere, nicht näher bezeichnete, flache Oberfläche des Dichtungsgliedes 28 die umlaufende, radiale Fläche 20b der Trommel 20 berührt.

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Der ringförmige Bereich 28a des Dichtungsgliedes 28 ist mit einer ringförmigen, flachen oberen Oberfläche S₁

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sowie zylindrischen inneren und äußeren Oberflächen S₃ und S₃ und einer unteren, flachen, ringförmigen Oberfläche S,- versehen. Die obere und untere ringförmige Ober-

fläche S₁ und S_g liegen parallel zueinander, und die äußeren und inneren zylindrischen seitlichen Oberflächen S~ und S, sind konzentrisch zueinander angeordnet. Der ringförmige Bereich 28a tritt auf seiner Oberfläche S₁ direkt mit der radialen Fläche 20b der Trommel 20 in Berührung und auf seiner Oberfläche S₃ mit den heißen Abgasen G. Der quergerichtete Verbindungsbereich 28b weist flache seitliche Oberflächen S₄ und S₅ auf, die der inneren zylindrischen seitlichen Oberfläche S₃ des ringförmigen Bereichs 28a gegenüberliegen. Die seitlichen Oberflächen S₄ und S_g werden direkt durch die Abgase G berührt. Der ringförmige Bereich 28a des Dichtungsgliedes 28 ist auf seiner inneren zylindrischen Oberfläche mit einer hitzebeständigen Schicht 32 versehen. In ähnlicher Weise ist der quergerichtete Verbindungsbereich 28b mit einer hitzebeständigen Schicht 32 auf seiner unteren, flachen Oberfläche S- und auf den seitlichen Oberflächen S₄ und S versehen. In diesem Falle besteht die hitzebeständige Schicht im wesentlichen aus Silizium-Carbid (SiC).

Anschließend soll das Verfahren zur Herstellung der hitzebeständigen Schicht 32 anhand von Fig. 4 erläutert werden. In Fig. 4 ist als Beispiel die Schicht 32 des ringförmigen Bereichs 28a des Dichtungsglieds 28 gezeigt. Der ringförmige Bereich 28a wird zunächst mit einer Abdeckung 34 abgedeckt, bei der die innere zylindrische Oberfläche S₃ freibleibt. Anschließend wird das teilweise abgedeckte Dichtungsglied 28 in einen nicht gezeigten Behälter eingebracht, der mit gasförmigem Silicium-Monoxid (SiO) gefüllt ist, so daß die Oberfläche S₃ diesem Gas ausgesetzt wird. Auf diese Weise wird die hitzebeständige Schicht 32 aus Silizium-Carbid auf der unbedeckten zylindrischen seitlichen Oberfläche S₃ durch eine Reaktion

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entsprechend folgender Gleichung gebildet:

2C + SiO —» SiC + CO.

Bei der oben beschriebenen Anordnung sind die Oberflächen des Dichtungsgliedes 28, die in direkter Berührung mit dem heißen Abgas stehen, durch eine hitzebeständige Schicht 32 bedeckt, so daß verhindert wird, daß das Dichtungsglied 28 in Berührung mit den heißen Abgasen G kommt. Dadurch wird es möglich, ein Dichtungsglied aus einem Material auf Kohlenstoffbasis auf der heißen Seite des Drehspeicher-Wärmetauschers 22 zu verwenden. Die hitzebeständige Schicht 32 ist nicht auf der flachen oberen Oberfläche S₁ des Dichtungsgliedes, die in Gleitberührung mit einer Gegenfläche steht, vorgesehen, so daß das Material auf der Grundlage von Kohlenstoff, das einen niedrigen Reibungskoeffizienten und Schmiereigenschaften aufweist, freiliegt. Dadurch ergibt sich eine ausgezeichnete Gleitkontakt-Gasabdichtung zwischen der oberen flachen Oberfläche S₁ des Dichtungsgliedes 28 und der umlaufenden radialen Fläche 20b der ringförmigen Trommel 20.

Auf der anderen Seite kann die .hitzebeständige Schicht 32 auf allen Flächen des Dichtungsgliedes 28, ausgenommen die obere flache Oberfläche S₁ ausgebildet sein, die in Gleitberührung mit der radialen Fläche 20b der Trommel 20 steht. Dies wird dadurch erreicht, daß nur die obere flache Oberfläche S₁ des Dichtungsgliedes 28 mit einer Abdeckplatte 34' gemäß Fig. 5 abgedeckt und das Dichtungsglied 28 anschließend einem SiO-Gas ausgesetzt wird, so daß die hitzebeständige Schicht 32 auf allen Oberflächen des ringförmigen Bereiches 28a, ausgenommen die flache obere Oberfläche des Dichtungsgliedes 28 ausgebildet wird.

Die erwähnte hitzebeständige Schicht 32 aus Silizium-Carbid kann auch dadurch hergestellt werden, daß zunächst Silizium (Si) in Pulverform auf die jeweilige Oberfläche oder Oberflächen des Dichtungsgliedes 28 aus Kohlenstoff-

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material aufgebracht und das Dichtungsglied anschließend mit dem Silizium-Pulver auf eine hohe Temperatur von etwa 1.800⁰C in einer Inertgas-Atmosphäre, wie etwa Stickstoff, Argon oder Helium erwärmt wird. 5

Da die Härte des SiC sehr hoch ist, fördert eine zu dicke Schicht aus SiC den Verschleiß der umlaufenden Trommel 20. Folglich, ist es wünschenswert, die Dicke der hitzebeständigen" Schicht aus SiC so gering wie möglich zu halten. Vorzugsweise weist die Schicht 32 eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,4 mm auf, so daß verhindert wird, daß das Kohlenstoff-Grundmaterial der Hitze und dem Oxidationseffekt der heißen Abgase ausgesetzt wird.

Während zuvor angegeben wurde, daß die hitzebeständige Schicht 32 aus SiC besteht, kann sie auch als überzug aus einem aufgesprühten Gemisch von NiO und CaP2 auf dem Kohlenstoff-Grundmaterial bestehen. In diesem Falle liegt die Dicke der Schicht des Überzuges vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1 bis 1,0 mm.

Die hitzebeständige Schicht 32, die in der oben erläuterten Weise hergestellt ist, ist nicht anfällig gegen ein Abblättern, da das Kohlenstoff-Grundmaterial porös ist und die Oberfläche des Dichtungsgliedes aus diesem Material daher erheblich rauh ist. Zur weiteren Sicherung des Anhaftens der hitzebeständigen Schicht 32 auf der Oberfläche des Dichtungsgliedes 28 ist es vorzuziehen, das Kohlenstoff-Grundmaterial und das Material der hitzebeständigen Schicht 32 so auszuwählen, daß ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient nah beieinanderliegt.

Die erfindungsgemäße Gleitkontakt-Fluiddichtung weist unter anderem folgende Vorteile auf. 35

Da das Dichtungsglied 28 aus Kohlenstoff als Basismaterial hergestellt ist, liegt der zulässige Verschleißabstand

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(Dicke) des Dichtungsgliedes bei etwa dem zehnfachen herkömmlicher, sprüh-beschichteter Metalldichtungen..Dadurch wird die Haltbarkeit der Dichtung erheblich erhöht. Ausserdem ist der Reibungskoeffizient des Kohlenstoff-Grundmaterials geringer und die Schmierfähigkeit ist besser, so daß das Dichtungsglied 28 aus Kohlenstoff-Grundmaterial die umlaufende radiale Fläche der Trommel 20 gleichmäßig berühren kann. Selbst wenn das Dichtungsglied 28 die radiale Fläche der Trommel 20 nicht gleichmäßig berührt, kann es diese in keinem Falle beschädigen.

1 .

Leerseite

Claims

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld 2 8 5 A 1 Q

Triftstraße 4 Siekerwall 7

Nissan Motor Company, Ltd.

No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,

Yokohama City, Japan

Gleitkontakt-Dichtung für Drehspeicher-Wärmetauscher

PRIORITÄT: 15. Dezember 1977, Japan, No. 52-151028

PATENTANSPRÜCHE 1./ Gleitkontakt-Dichtung für Drehspeicher-Wärmetauscher mit einer drehbaren Trommel und einer Dichtung, die ein Dichtungsglied aus einem Kohlenstoff - Grundmaterial umfaßt, das einer Berührung mit einer umlaufenden radialen Fläche der Trommel ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch eine hitzebeständige Schicht (32) auf wenigstens einer Oberfläche (S₃) des Dichtungsgliedes (28), die direkt mit heißem Abgas (G) vor Passieren der Trommel und eintretender Luft nach Passieren der Trommel in Berührung steht.

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ORfGfNAL WSPE0FEB

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2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Schicht (32) aus Silizium-Carbid besteht.
3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Schicht (32) durch Berührung der Oberfläche (S₃) mit gasförmigem Silizium-Monoxid und eine Reaktion dieses Gases mit der Oberfläche herstellbar ist.
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4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der hitzebeständigen Schicht (32) im Bereich von 0,1 bis 0,4mm liegt.
5. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Schicht (32) herstellbar ist durch Aufbringen eines Silizium-Pulvers auf die Oberfläche des Dichtungsgliedes (28) und durch Reaktion der Oberfläche mit dem aufgebrachten Pulver in einem reduzierenden Gas.
6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der hitzebeständigen Schicht (32) im Bereich von 0,1 bis 0,4mm liegt.
7. Dichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen feststehenden Träger (30) , auf dem das Dichtungsglied (28) befestigt ist.
8. Dichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsglied (28) einen ringförmigen Bereich (28a) umfaßt, der innere und äußere zylindrische, seitliche Oberflächen (S-,S₃) umfaßt, die konzentrisch zueinander liegen und deren innere Oberfläche (S₃) direkt mit dem Abgas vor Passieren der Trommel (20) in Berührung tritt, und daß eine obere und eine untere ringförmige flache Oberfläche (S.. , S_fi) vorgesehen sind,

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die parallel zueinander liegen und deren obere Oberfläche (S₁) direkt mit der umlaufenden, radialen Fläche (20b) der Trommel in Berührung steht und deren untere flache ringförmige Oberfläche (.S) auf dem feststehenden Träger (30) befestigt ist.
9. Dichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die hitzebeständige Schicht (32) auf der inneren zylindrischen seitlichen Oberfläche (S₃) des ringförmigen Bereichs (28a) des Dichtungsgliedes (28) ausgebildet ist.
10. Dichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichne t, daß die hitzebeständige Schicht (32) auf der inneren und äußeren zylindrischen seitlichen Oberfläche (S-,S₃) und auf der unteren flachen Oberfläche (S₆) ausgebildet ist.
11. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß die hitzebeständige Schicht (32) dadurch herstellbar ist, daß die Oberflächen des Dichtungsgliedes (28) durch eine Abdeckung (34) teilweise abgedeckt werden und daß die freien Oberflächen mit gasförmigem Silizium-Monoxid in Berührung gebracht werden.

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12. Dichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die hitzebeständige Schicht (32) herstellbar ist durch Abdecken der äußeren zylindrischen seitlichen Oberfläche (S2) und der oberen und unteren flachen Oberflächen (S^Sg) mit einer Abdeckung (34) und durch anschließende Berührung der inneren zylindrischen seitlichen Oberfläche mit gasförmigem Silizium-Monoxid.
13. Dichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Schicht (32) herstellbar ist durch Abdecken der oberen flachen ringför-

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migen Oberfläche (S₁) des Dichtungsgliedes (28) mit einer Abdeckplatte (34') und durch anschließende Berührung der inneren und äußeren zylindrischen Oberflächen (S₃,S₂) und der unteren flachen Oberfläche (S^) mit gasförmigem Silizium-Monoxid.
14. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Schicht (32) ein aufgesprühter überzug aus einem Gemisch aus Nickeloxid und Calziumfluorid auf der Oberfläche des Dichtungsgliedes (28) ist.
15. Dichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der hitzebeständigen Schicht (32) im Bereich von 0,1 bis 1,0mm liegt.

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