DE3000947C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehspeicherwärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise in Gasturbinen­ triebwerken für Fahrzeugantriebe verwendet, um durch Rückge­ winnung von Abgaswärme den Wirkungsgrad zu erhöhen. Drehspei­ cherwärmetauscher sind hierbei stationären Wärmetauschern vorzuziehen, da sie einen kleineren Raumbedarf aufweisen und ferner einen guten Wärmeaustausch unter geringem Druckver­ lust ermöglichen. Allerdings sind zum Trennen der Strömungs­ wege reibende Dichtungen erforderlich, die einer starken Er­ wärmung ausgesetzt sind und einem Verschleiß unterliegen.

Ein Drehspeicherwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 ist aus der DE-OS 20 30 563 bekannt. Bei diesem be­ kannten Wärmetauscher sind in den Dichtelementen als Mittel zur gleichmäßigen Temperaturverteilung Hohlräume mit einem darin enthaltenen, wärmeleitenden Mittel, z. B. Natrium, vor­ gesehen, das mittels besonderer Wärmetauscher gekühlt werden kann.

Eine derartige Dichtungsanordnung verteuert jedoch einen Wär­ metauscher außerordentlich, da eine absolute Sicherheit ge­ gen Leckage vorgesehen werden muß. Eine auch nur geringe Leckage würde nämlich zu einem raschen Versagen des Wärmeaus­ gleichs und damit zu einer Gefährdung der Reibplatten füh­ ren.

Aus der US-PS 31 92 998 ist eine Dichtungsanordnung für einen Drehspeicherwärmetauscher bekannt, bei der an der vom Speicherkörper abgelegenen, axial außenliegenden Seite von Dichtungen tragenden Platten Nuten angebracht sind. Diese Nuten befinden sich außerhalb des Zentralbereichs der Dich­ tungsanordnung und sollen hauptsächlich eine zusätzliche Fle­ xibilität der Platten im Falle einer ungleichmäßigen Erwär­ mung bewirken. Sie sind jedoch nicht dazu geeignet, die Dich­ tungen in einem bestimmten, für die Reibungsbedingungen opti­ malen Temperaturbereich zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehspeicher­ wärmetauscher zu schaffen, bei dem auf einfache und kosten­ günstige Weise ohne Beeinträchtigung der Leichtgängigkeit des Speicherkörperantriebs und ohne großen Aufwand für die Lagerung des Speicherkörpers die Dichtungen stets in einem Temperaturbereich gehalten werden können, in dem ihre Reib­ platten einen kleinen Reibbeiwert und einen geringen Antrieb aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Nuten in den Reibplatten kann der heiße Gasstrom bis in die Nähe der Wandung der zentralen Bohrung gelangen und durch axiale Strömungswege an dieser entlangstreichen. Dadurch wird die durch Leckage über den Wellenspalt in den Zentralbereich einströmende Kaltluft er­ wärmt und die Gefahr beseitigt, daß diese Kaltluft die Tempe­ ratur der Reibplatten herabsetzt und damit die Reibbedingun­ gen verschlechtert. Die Abdichtung zwischen der Welle und der Speicherkörperdichtung kann daher mit relativ großen To­ leranzen und damit kostengünstig ausgeführt werden. Die um die Welle vorhandenen Bereiche der Reibplatten werden auf der für den optimalen Betrieb notwendigen Temperatur gehal­ ten, ohne daß zusätzliche, z. B. flüssige Wärmeausgleichsmit­ tel nötig sind. Der optimale Temperaturbereich kann dabei durch entsprechende Bemessung der Strömungswege für die Kalt­ luft und den Heizsstrom eingehalten werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine zum Teil aufgebrochene Seitenansicht eines Drehspeicherwärmetauschers,

Fig. 2 einen Teilschnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1 in größerem Maßstabe,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 2 in Richtung der Pfeile gesehen.

Der Drehspeicherwärmetauscher 10 gemäß Fig. 1 hat ein Gehäuse 14, dessen eine Stirnseite durch einen Deckel 12 verschlossen ist. Das Gehäuse 14 enthält eine hinter­ schnittene Fläche 16, die der Abstützung von Dichtungen dient. Das Gehäuse 14 hat ferner einen Querarm 18, an dem eine innere Dichtung 20 gebildet ist, die gegen die heiße Fläche 22 eines scheibenförmigen Speicherkörpers 24 anliegt. Der Außenrand 26 des Speicherkörpers 24 ist mit einem Zahn­ kranz 28 versehen, in den ein Antriebsritzel 30 eines nicht näher dargestellten Antriebs eingreift.

Eine äußere Dichtung 32 des Querarms 18 liegt gegen die kalte Stirnfläche 34 des Speicherkörpers 24 an. Sie be­ steht aus einer Tragplatte 36, einer Blattfeder 37 und einer Reibplatte 38, und ist zwischen dem Deckel 12 und der Stirnfläche 34 des Speicherkörpers 24 angeordnet. An der Fläche 16 ist eine Rand­ dichtung 40 auf der einen Seite 42 der Dichtung 20 und eine Randdichtung 44 auf der anderen Seite 46 der Dichtung 20 vorgesehen. Randdichtungen 48 und 50 auf der kalten Seite des Speicherkörpers sind in Fig. 1 ebenfalls ange­ deutet.

Durch diese Dichtungen werden zwei Strömungswege in­ nerhalb des Drehspeicherwärmetauschers getrennt voneinander gehalten. Von einem Einlaß 51 tritt verdichtete Luft von einem Verdichter des Gasturbinentriebwerks, in die stirnseitig offenen Kanäle 52 des Speicherkörpers 24 ein. Der Speicherkörper 24 kann aus Metall oder Keramik hergestellt sein, wobei die Zellenwände 53 eine Stärke von etwa 0,08 mm haben.

Die Luft wird beim Durchstrom durch den Speicherkör­ per 24 erhitzt und gelangt in einen Sammelraum 54 inner­ halb des Gehäuses 14, von dem sie in einen Brennraum 56 übertritt, in dem die verdichtete Luft durch Verbrennen von Kraftstoff erhitzt wird.

Der Brennraum 56 hat einen Auslaß 58, der mit dem Einlaß 60 einer Turbinendüse 52 verbunden ist, durch die Treibgas zur Verdichter- und zur Nutzturbine strömt.

Die Abgase der Turbinen treten durch einen Einlaß 64 in das Gehäuse 14 ein und strömen im Gegenstrom zur Luft durch den Speicher­ körper 24 von dessen heißer Seite 22 zu dessen kalter Sei­ te 34 entsprechend dem Pfeil 78, wobei der Speicherkörper 24 erwärmt wird. Die Abgase strömen dann durch einen Aus­ laß 66 im Deckel 12 ab.

Die Dichtungen 20 und 32 haben je zwei Arme 68 und 70, die sich radial etwa diametral zu den Stirnflächen 22 und 34 des Speicherkörpers 24 erstrecken und in der Mitte des Speicherkörpers miteinander verbunden sind. Am äußeren Rand des Speicherkörpers sind die Arme durch die Randdich­ tungen 40, 44, 48 und 50 miteinander verbunden. Die Befesti­ gung am Gehäuse 14 bzw. dem Deckel 12 erfolgt durch Lappen 71 und 73. Die Randdichtungen 40 und 48 haben bogenförmige Kanten 72 und zugeordnete Teile, die den Einlaß 51 und den Sammelraum 54 umgeben. In gleicher Weise haben die Randdichtungen 44 und 50 bogenförmige Kanten 74, die die Gaswege umgeben. Es wird so der hohen Druck aufweisende Strömungsweg für die Luft (Pfeil 76) vom niedrigeren Druck auf­ weisenden Strömungsweg für das Gas (Pfeil 78) getrennt.

Man hat nun festgestellt, daß ein geeigneter Werk­ stoff für die Reibplatten der Dichtungen einen geringen Abrieb in einem Temperaturbereich zwischen 540 und 820°C hat. Aus diesem Grunde bestehen die Arme 68 und 70 aus drei Teilen. Bei der Dichtung 32 aus der Blattfeder 37, der Tragplatte 36 und der Reibplatte 38; und bei der inneren Dichtung 20 aus einer Blattfeder 80, die gegen die Fläche 16 anliegt, einer Tragplatte 82 und einer Reib­ platte 84.

Wie Fig. 2 zeigt, hat die äußere Dichtung 32 eine zentrale Bohrung 86, die axial ausgerichtet zu einer Boh­ rung 88 im Deckel 12 ist, in der eine Welle 92 abgestützt ist. Ebenso hat die innere Dichtung 20 eine zentrale Boh­ rung 89, durch die das innere Ende 90 der Welle 92 tritt.

Der Speicherkörper 24 enthält eine zentrale Bohrung 96 zur Aufnahme einer Buchse 98, in der sich die Welle 92 beim Drehen des Speicherkörpers 24 abstützt.

Zwischen dem Rand der Bohrung 86 und der Mantelflä­ che der Welle 92 ist ein ringförmiger Spalt 100 gebildet, durch den kalte Luft aus dem Einlaß 51 entsprechend dem Pfeil 102 in die zentrale Bohrung 96 gelangt und durch einen ringförmigen Spalt 104 wieder austritt. Dieser Strom gemäß dem Pfeil 106 kann eine unerwünschte Absenkung der Temperatur der Reibplatte 84 bei Betrieb des Triebwerks veranlassen. Dies führt dann beim Berühren mit der heißen Fläche 22 des Speicherkörpers zur Erhöhung des Reibbeiwerts und zur Vergrößerung des Abriebs. Dies ist besonders im Nabenbereich 108 der Reibplatte 84 der Fall. Bei bekannten Versuchen, dies abzustellen, hat man den Zutritt von kalter Luft zur zentralen Bohrung des Speicherkörpers zu verhindern angestrebt. Hierbei ergab sich aber eine erhebliche Erschwe­ rung bezüglich des Antriebs des Speicherkörpers.

Bei der Erfindung wird ein anderer Weg beschritten, um den schädlichen Einfluß der in die zentrale Bohrung 96 eintretenden Kaltluft auszugleichen. Hierzu ist der Naben­ bereich der Reibplatte 84 anders ausgestaltet. Der Nabenbe­ reich ist mit mehreren nach außen weisenden Nuten 110 versehen, so daß der heiße Gasstrom unmit­ telbar bis in die Nähe der Wandung der zentralen Bohrung 96 gelangen kann (Fig. 2). Diese Nuten 110 liegen axial ausge­ richtet zu Nuten 112, die in gleicher Weise im Nabenbereich 114 der äußeren Reibplatte 38 gebildet sind, so daß die Mündungen der mit den Nuten 110 verbundenen Kanäle 52 frei gelegt sind, und ein Durchstrom der heißen Gase über den Strömungsweg 116 bis dicht neben der Wandung der Bohrung 96 erfolgt. Die Nuten 110 und 112 erhalten eine solche Größe, daß auf Grund der Druckdifferenz zwischen dem Einlaß 64 und dem Auslaß 66 eine vorgegebene Gasmenge durch den Strömungsweg 116 gepumpt wird. Diese wird so gewählt, daß die Kühlwirkung des Luftstroms 106 im mittleren Nabenbe­ reich 108 der äußeren Reibplatte 84 ausgeglichen wird, diese also auf einer erhöhten optimalen Temperatur gehal­ ten wird. Andererseits begrenzen die Nuten 110 und 112 den Durchstrom durch den Strömungsweg 116 soweit, daß der Nabenbereich 114 der äußeren Reibplatte nicht eine übermäßige Temperatur annimmt, die oberhalb des optimalen Temperaturbereichs liegt.

Claims (1)

1. Drehspeicherwärmetauscher mit einem Gehäuse, das Strö­ mungswege für aufzuheizende Luft und abzukühlendes Gas bei unterschiedlichen Druckwerten aufweist, mit einem axial durchströmten, scheibenförmigen Speicherkörper mit einer zentralen Bohrung für eine Welle, die den Speicher­ körper im Gehäuse drehbar abstützt, mit Querarmdichtun­ gen, die zwischen dem Gehäuse und den Stirnflächen des Speicherkörpers angeordnet sind und die eine Tragplatte und eine Reibplatte aufweisen, die an die Stirnfläche an­ legbar ist, um die Strömungswege an den entgegengesetzt liegenden Seiten des Speicherkörpers abzudichten, dadurch gekennzeichnet, daß in den Reibplatten (84, 38) an ihren dem Speicherkör­ per (24) zugewendeten Seiten Nuten (110, 112) vorgesehen sind, die zusammen mit Bohrungen (52) in dem Speicherkör­ per einen Strömungskanal für Warmluft zum Heizen der Reib­ platten (84, 38) in den den Nuten (110, 112) benachbarten Gebieten bilden, um der Kühlwirkung der durch Leckage im Bereich der zentralen Bohrung (96) zuströmenden Luft ent­ gegenzuwirken und dadurch die geringe Reibung und den ge­ ringen Verschleiß der Reibplatten (84, 38) an dem Spei­ cherkörper (24) aufrechtzuerhalten.