DE3149285A1 - Verbindung der rohrfoermigen enden einer waermetauschermatrix mit dem zugehoerigen waermetauscherboden - Google Patents
Verbindung der rohrfoermigen enden einer waermetauschermatrix mit dem zugehoerigen waermetauscherbodenInfo
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Description
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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
MÜNCHEN GMBH
München, den 9.12.1981
"Verbindung der rohrförmigen Enden einer Wä'rmetauschermatrix mit dem
zugehörigen Wärmetauscherboden"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindung der rohrförmigen
Enden der zu einer Kreuz-Gegenstrom-Matrix eines Wärmetauschers gehörenden, mittels eines verhältnismäßig
kühlen Gases (Druckluft) durchströmbaren Röhrchen bzw. Strömungsprofile mit dem jeweils entsprechend vorgelochten
Wärmetauscherboden eines oder mehrerer für die jeweilige Druckluftzu- bzw. -Abführung in bzw. aus der
betreffenden Wärmetauscher-Matrix ausgebildeter Sammelrohre. Insbesondere bezieht sich die Erfindung dabei auf
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung.
Ein für die Anwendung der eingangs geschilderten Verbindung bzw. deren Herstellungsverfahren geeigneter Wärmetauscher
ist aus der DE-OS 29 07 810 bekannt. Bei diesem bekannten
Wärmetauscher ist eine erste Druckluftführung vorgesehen,
über die die beispielsweise von einem Kompressor geförderte
Hochdruckluft eines Gasturbinentriebwerks der be-
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treffenden Wärmetauscher-Matrix zugeführt werden kann, in der die Hochdruckluft dann infolge Heißgasbeaufschlagung
dieser Matrix erhitzt wird und schließlich aus der Wärmetauscher-Matrix in eine zweite Rohrführung
abströmt, die mit einem geeigneten Verbraucher, hier also an die Brennkammer dieses Gasturbinentriebwerks angeschlossen
ist. Beispielsweise können bei diesem bekannten Wärmetauscher die beiden voneinander getrennten Rohrführungen
in ein gemeinsames Sammelrohr integriert sein, von dem die betreffende Wärmetauscher-Matrix beidseitig
U-förmig auskragend verläuft.
Bei einem derartigen bekannten Wärmetauscher ist zu berücksichtigen,
daß ca. 12000 Leitungsanschlüsse oder mehr
nahezu in einem "Schuß" mit dem betreffenden Wärmetauscherboden verlötet werden sollen. Diese Lötung stellt bei der
Herstellung derartiger Wärmetauscher einen bisher nicht bewältigten Risikofaktor dadurch dar, daß verhältnismäßig
große Lötspalte bzw. -fugen vorausgesetzt werden müssen,
die sich zwischen den jeweiligen Rohrenden und den betreffenden Lochwandungen befinden müssen, wobei davon ausgegangen
wird, daß ein hinreichend großer Lötspalt einen einwandfreien Transport des schmelzflüssig zugeführten
Lotes gewährleisten muß. D.h., es besteht immer das 25
Risiko, daß das schmelzflüssig zugeführte Lot sich in
örtlich unterschiedliche Zonen verlagert, so daß beim abschließenden
Erkaltungsprozeß keine Gewähr besteht, daß die betreffenden verhältnismäßig großen Lötfugen über
ihren Gesamtumfang kontinuierlich ausgefüllt sind.
Außerdem hat die Praxis gezeigt, daß verhältnismäßig
große Lötfugen für die Bereitstellung verhältnismäßig
großer Lötvolumina die Festigkeit derartiger Verbindungen nachhaltig beeinflussen können. Außerdem wirkt sich eine
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vergleichsweise große Lötdicke in den betreffenden Fugen
hinsichtlich des Korrosionsverhaltens nachteilhaft aus.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die im Rahmen der eingangs umrissenen Problematik zu bisherigen
Verbindungen, bzw. Herstellungsverfahren dieser Verbindungen,
aufgeführten Nachteile zu beseitigen und eine geeignete Lösung zu schaffen, mit der die betreffenden
Wärmetauscherröhrchen bzw. -Profile auf vergleichsweise
einfache Weise unter Gewährleistung eines gleichzeitig
optimalen Temperaturwiderstands- und Abdichtvermögens in die betreffenden Wärmetauscherböden fest einsetzbar sind.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß hauptsächlich aus dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs
1 sowie insbesondere aus einer Alternative im Rahmen des Patentanspruchs 10.
Mit dem im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw.
bei der Verbindung erfolgenden Hindurch- und/oder Herausziehen des Dorns durch das bzw. aus dem betreffenden Rohrende
ist sichergestellt, daß damit gleichzeitig eine einwandfreie Fügung und damit Verlötung der Verbindung
(Röhrchen bzw. Hohl profilkörper/Wärmetauscherboden) gewährleistet
wird. Das Hindurch- und/oder Herausziehen des Dorns besorgt somit eine formschlüssige Materialverpressung
entlang der betreffenden Oberflächen unter Einschluß der Lötfolie bzw. auf das Rohrende aufgebrachten
Lötmasse, so daß vor der abschließenden Erwärmung für die
Endherstellung der Verbindung die jeweilige Fuge zwischen dem Rohrende und der Lochbewandung des Wärmetauscherbodens
einwandfrei verpresst bzw. eleminiert ist, wodurch örtliche Lotlageveränderung praktisch ausgeschlossen
sind.
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Im Rahmen der Erfindung werden ferner nur extrem niedrige Lötvolumina und dementsprechend dünne Lotschichten für
die betreffenden Verbindungen benötigt, was sich bezüglich der jeweiligen Festigkeitseigenschaftan sowie hinsichtlich
der Korrosionseinflüsse sowie aber auch hinsichtlich
eines vergleichsweise geringen Lotmaterial bedarf 3 besonders vorteilhaft auswirkt.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der
IQ Erfindung wird auf die Patentansprüche 2 bis 16 verwiesen.
Anhand der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise
erläutert; es zeigen:
- Fig. 1 einen entlang der Profillängsmittel-
ebene verlaufenden Teil schnitt der Wärmetauscherverbindung in einer ersten
Ausführungsform,
- Fig. 2 einen entlang der Profillängsmittelebene
verlaufenden Teilschnitt der Wärmetauscherverbindung in einer zweiten Ausführungsform,
- Fig. 3 einen entlang der Profil1ängsmittelebene
verlaufenden Teilschnitt der Wärmetauscherverbindung in einer dritten Ausführungsform
und
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- Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der
Fig. 3.
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Fig. 1 erläutert die Verbindung bzw. ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung für das rohrförmige Ende 1
des zu einer Kreuz-Gegenstrom-Matrix eines Wärmetauschers gehörenden Strömungsprofils 2 mit dem entsprechend
vorgelochten Wärmetauscherboden 3, wobei hier zunächst das rohrförmige Ende 1 durch Rundhämmern,
Schmieden oder dergleichen über einen Dorn 4 verformt wird und nach Kalibrierung der Außenkontur mit einem
Lötwerkstoff ummantelt wird. Hierauf wird das Rohrende zusammen mit dem Dorn 4 in das zugeordnete Loch (Bewandung
5) im Wärmetauscherboden 3 eingesetzt und beim Anschließenden Hindurchziehen des Dorns 4 mittels dessen
Bundes 6 in Pfeil richtung F gegen die benachbarte Bewandung
5 des Loches und dessen Rändern verpresst, wonach durch örtliche Erhitzung eine metallurgische Verbindung
zwischen dem Rohrende 1 und der betreffenden Wärmetauscherbodenpartie hergestellt wird. Hierbei soll
die Außenkontur des Rohrendes 1 zuvor so genau kalibriert werden, wie es für die Durchführung des Einformens
erforderlich ist.
Im Interesse einer rationellen Herstellung ist'vorzugsweise
davon auszugehen, daß die metallurgische Verbindung sämtlicher Rohrenden mit dem betreffenden Wärmetauscherboden
durch Erhitzung in einem Ofen oder dergleichen gleichzeitig, also in "einem Schuß" erfolgt.
Wie weiter aus Fig. 1 hervorgeht, weist der Dorn 4 an seinem der Außenwand des Wärmetauscherbodens 3 benachbarten
Ende den die Dornbewandung rotationssymmetrisch überkragenden Bund 6 für das zuvor schon geschilderte
Vorpressen des Rohrendes 1 beim Hindurchziehen des Dorns
auf. Infolge der zuvor vorgenommenen Verformung des Rohrendes 1 über den Dorn 4 wird gleichzeitig eine dem Bund
gemäße, rotationssymmetrische Rohraufweitung 7 gebildet,
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-ΙΟΙ die als Lochanschlag des Rohrendes 1 nebst Profils 2 an
der äußeren Bewandung des Wärmetauscherbodens 2 dient.
Im übrigen kann die Außenkontur des Rohrendes 1 gleichzeitig
beim Verformen über den Dorn 4 kalibriert werden.
Das für die Verbindung bzw. für deren verfahrensgemäße
Herstellung erforderliche Lötmaterial kann in weiterer
Ausgestaltung gleichzeitig beim Verformen des Rohrendes über den Dorn oder gleichzeitig mit dem Kalibriervorgang
auf das Rohrende aufgeformt werden, und zwar letzteres z.B. durch Hämmern, Schmieden oder Walzen im Sinne eines
Dublierens.
In weiterer Ausgestaltung kann der Lötwerkstoff auch als
gewickelte Folie auf das Rohrende aufgebracht werden. Die Lötfolie wird demnach also mechanisch aufgelegt, wobei
als Lötfolie z.B. Metglas verwendet werden kann. Der Lötwerkstoff kann beispielsweise auch galvanisch, durch
Spritzbeschichten, Tauchen in eine Lötflüssigkeit oder durch Sintern (Lotpulver) auf das bzw. die betreffenden
Rohrenden aufgebracht werden.
Der betreffende Spalt bzw. die Fuge U zwischen der Lochbewandung 5 einerseits und dem betreffenden Rohrende 1
andererseits bestimmt sich nach den Erfordernissen der Montierbarkeit und der Herstelltoieranzen. Diese Fuge U
kann - wie in Fig. 1 dargestellt - zylindrisch, sie kann aber auch leicht konisch, d.h. im Sinne eines vom oberen
zum unteren Lochende hin sich zunehmend verjüngenden Konus ausgebildet sein.
Aus Fig. 1 ist weiter zu ersehen, daß das rohrförmige
Ende 1 mit einem Teilabschnitt 8 aus der Rohröffnung
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unten herausragt, wobei dieser axial vorstehende Rohrabschnitt
8 im Wege des endgültigen Herausziehens des Dorns aus dem Rohrende mit Wirkung des Bundes 6 zumindest
teilweise seitlich über den unteren Lochrand abgebogen wird (gestrichelt dargestellt).
Gemäß Fig. 1 ist es also die grundsätzliche Idee, den
Dorn 4 nebst Bund 6 durch den zu fügenden Rohrabschnitt
bzw, das Rohrende 1 hindurchzuziehen, um durch eine plötzliehe
Aufweitung des Rohrendes 1 die betreffende Fuge U zwischen der Lochbewandung 5 und der angrenzenden Umfangswandpartie
des Rohrendes 1 zu schließen.
Bei der im Rahmen zu Fig. 1 erwähnten und nicht weiter
!5 dargestellten anderen Variante mit konisch verlaufender
Fuge wird davon ausgegangen, daß die Fuge bereits verschlossen ist, bevor der Dorn nebst dem die spätere
Walkarbeit besorgende Bund durch das hülsenförmige Rohrende
hindurchgezogen werden. Bei entsprechender Zuordnung und Dimensionierung des Bundes nach Maßgabe der erforderlichen
Pressung ist somit eine Lösung geschaffen, die im Verhältnis zu Fig. 1 einen vergleichsweise geringeren
Verformungsgrad einschließt, der wiederum zu einem vergleichsweise
geringeren Kraftaufwand und Werkzeugverschleiß sowie entsprechend geringeren Toleranzschwankungen
führt.
Bei der Herstellungsweise der Verbindung gemäß Fig. 1
kann vom Grundsatz her davon ausgegangen werden, daß als
hilfsweise vorgesehene Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine Gegenhaiterung zur Anwendung kommt, die
zur Abstützung der Verbindung, bzw. der des Wärmetauscherbodens 3 beim Herstel1prozeß entgegen der Pfeil-
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richtung F wirkt, und welche von unten an das axial vorstehende Ende 8 angreifen soll. Mit dieser Gegenhalterung
kann der Umbiegeprozeß des axial vorstehenden Rohrabschnitts 8 gegen die in Nachbarschaft der Lochbewandung
5 liegende innere Bewandung des Wärmetauscherbodens 3 unterstützt werden.
Unter Verwendung im wesentlichen gleicher Bezugszeichen für gegenüber Fig. 1 im wesentlichen unveränderte Bauteile
ist Fig. 2 eine weitere Variante, bei der das zugeordnete Loch 9 im Wärmetauscherboden 3 einschließlich der
Umfangsbewandung des betreffenden Rohrendes 10 mit jeweils gleichen Neigungswinkeln in Richtung auf die
Innenwand des Wärmetauscherbodens 3 sich geringfügig konisch verjüngend ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform
besorgt also der Bund 6 für sich keinerlei plastische Rohrverformung, vielmehr befindet sich dieser
Bund 6 stets in der dargestellten untersten Lage, in der er seitlich von der axial vorstehenden Rohrendpartie 81
umklammert wird. Bei der Ausführung nach Fig. 2 wird also mit Hilfe des Domes 4 und dessen Bundes 6 das konische
Rohrende 10 in das entsprechende konische Loch 9 gezogen, wobei die betreffende Umfangsfuge U1 sowohl unter radialer
als auch axialer Flächenpressung zwischen der zugeordneten
2^ Lochwandung und dem rohrförmigen Ende 10 verschlossen wird,
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann im übrigen der
Dorn 4 endgültig aus dem Rohrende 10 dadurch entfernt werden, indem das axial vorstehende Rohrende 8' durch geeignete
Werkzeuge gegen die innere Bewandung des Wärme-
tauscherbodens 3 abgebogen wird.
Unter Verwendung im wesentlicher gleicher Bezugszeichen
für gegenüber Fig. 1 und 2 im wesentlichen unveränderte
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Bauteile unterscheidet sich Fig. 3 von Fig. 2 im wesentlichen dadurch, daß der betreffende Bund 6 des
Dorns 4 kurz vor der Herausziehphase aus dem Rohrende noch eine gewisse Flächenpressung der Verbindung bewirkt,
wobei es gegenüber Fig. 2 jedoch vorrangiges Ziel dieser Anordnung des Dorns 4 und des Bundes 6 - wie gezeichnet
ist -,daß untere axial vorstehende Rohrende 81' beim
endlichen Herausziehprozeß gleichzeitig gegen die untere Bewandung des Wärmetauscherbodens 3 umzubördeln, was
durch die gestrichelte Kontur der entsprechenden Bördelkanten verdeutlicht sein soll.
Im Rahmen des Erfindungsgegenstandes kann das in den
betreffenden Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 3 dargestellte Rohr- bzw. Rohrende 1 bzw. 10 vorzugsweise
einen geringfügig höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als das Material des Wärmetauscherbodens 3 aufweisen, um während des metallurgischen Verbindens unter Wirkung
der herrschenden Temperatur eine zusätzliche Pressung in der Fuge U bzw. und U' zu erzeugen.
Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen
ist es im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, den über den unteren Lochrand axial vorstehenden Rohrabschnitt vor
dem Herausziehen des Domes gegen den unteren Lochrand sowie gegen die angrenzenden Partien die Wärmetauscherinnenwand
abzubiegen bzw. umzubördeln.
Fig. 4 veranschaulicht schließlich einen Profilschnitt
bei dem die einander gegenüberliegenden Mittelstege 11 entlang deren Stegenden z.B. verschweißt sind, wobei
zwei voneinander getrennte Kanäle 13 und 14 vorgesehen sind, die mit Druckluft im Rahmen des Wärmetauschprozesses
beaufschlagbar sind.
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Claims (16)
- MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBHMünchen, den 9.12.1981PatentansprücheVerbindung der rohrförmigen Enden der zu einer Kreuz-Gegenstrom-Matrix eines Wärmetauschers ge-1^ hörenden, mittels eines verhältnismäßig kühlen Gases (Druckluft) durchströmbaren Röhrchen bzw. Strömungsprofile mit dem jeweils entsprechend vorgelochten Wärmetauscherboden eines oder mehrerer für die jeweilige Druckluftzu- bzw. -abführung in bzw. aus der betreffenden Wärmetauschermatrix ausgebildeter Sammelrohre, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils rohrförmige Ende (1) durch Rundhämmern, Schmieden oder dergleichen über einen Dorn (4) verformt und nach Kalibrierung der Außenkontur mit einemLötwerkstoff ummantelt wird, worauf das so vorbereitete Rohrende zusammen mit dem Dorn in das zugeordnete Loch im Wärmetauscherboden (3) eingesetzt und beim anschließenden Hindurchziehen des Domesgegen die benachbarte Bewandung (5) des Lochs und 30deren Rändern verpreßt wird, wonach durch örtliche Erhitzung eine metallurgische Verbindung zwischen dem Rohrende und der betreffenden Wärmetauscherbodenpartie hergestellt wird.T-679 - 2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (4) an seinem der Außenwand des Wärmetauscherbodens (3) benachbarten Ende einen die Dornbewandung rotationssymmetrisch überkragenden Bund(6) zum Verpressen bzw. Verformen des Rohrendes beim Hindurch- und/oder Herausziehen aufweist.
- 3. Verbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der Verformung des Rohrendes(1) über den Dorn (4) eine dem Bund (6) gemäße, rotationssymmetrische Rohraufweitung (7) als Lochanschlag gebildet wird.
- 4. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des Rohrendes gleichzeitig beim Verformen über den Dorn kalibriert wird.
- 5. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmaterialgleichzeitig beim Verformen des Rohrendes über den Dorn oder gleichzeitig mit dem Kalibriervorgang auf das Rohrende aufgeformt wird, z.B. durch Hämmern, Schmieden oder Walzen im Sinne eines Dublierens. 25
- 6. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötwerkstoff als gewickelte Folie auf das Rohrende aufgebracht wird.
- 7. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötwerkstoff z.B. galvanisch, durch Spritzbeschichten, Tauchen (Flüssiglot) oder durch Sintern (Lotpulver) auf das Rohrende aufgebracht wird.T-679
09.12.1981-3- - 8. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Ende (1) soweit in das zugeordnete Loch im Wärmetauscherboden (3) eingeschoben wird, daß ein über den unteren Lochrand axial vorstehender Rohrabschnitt (8) beim Herausziehen des Domes (4) mit Wirkung dessen Bundes (6) seitlich über den unteren Lochrand abgebogen wird.
- 9. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Lochbewandung (5) und der angrenzenden Umfangsbewandung des betreffenden Rohrendes (1) befindliche Fuge (U) zylindrisch oder im Sinne eines von der Wärmetauscherbodenaußenwand zur Innenwand hin sich kontinuierlich verjüngenden Konus ausgebildet ist.
- 10. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zugeordnete Loch im Wärmetauscherboden (3) einschließlich der Umfangsbewandung des betreffenden Rohrendes (10) sich in Richtung auf die Innenwand des Wärmetäuscherbodens unter gleichen Neigungswinkeln geringfügig konisch verjüngend ausgebildet sind, um die Umfangsfuge (U1) sowohl unter radialer als auch axialer Flächenpressung zwischen der zugeordneten Lochwandung (9) und dem rohrförmigen Ende (10) zu verschließen, wenn mittels des Domes (4) und dessen Bundes (6) das konische Rohrende (10) in das ent-sprechend konische Loch gezogen wird.
- 11. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweiligeT-679
09.12.19813H9285Rohr bzw. Rohrende (1,10) einen geringfügig höheren Wärmetauschdehnungskoeffizienten als das Material des Wärmetauscherbodens (3) aufweist. - 12. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der über den unteren Lochrand axial vorstehende Rohrabschnitt mit zusätzlicher Wirkung einer an denselben angreifenden Gegenhaiterung gegen den unteren Lochrand sowie gegen die angrenzenden Partien der Wärmetauscherbodeninnenwand abgebogen wird.
- 13. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der über den unteren Lochrand axial vorstehende Rohrabschnitt vor dem Herausziehen des Domes gegen den unteren Lochrand sowie gegen die angrenzenden Partien der Wärmetauscherinnenwand abgebogen wird.
- 14. Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Erhitzen vorzunehmende metallurgische Verbindung mehrerer oder sämtlicher Rohrenden mit dem Wärmetauscherboden gleichzeitig, also in "einem Schuß" durchgeführt wird.
- 15. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14.
- 16. Einrichtung zur Herstellung einer Verbindung nach ° einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14.T-679
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